Masteroppgaven er utarbeidet på institutt for matematiske realfag og teknologi(imt), ved Universitetet for miljø- og biovitenskap(umb), høsten 2010.

Transkript

1 Bygnings Informasjons Modell(BIM) og Mekaniske Forbindelser i Trekonstruksjoner Building Information Model(BIM) and Mechanical Joints in Timber Structures Natalia Marszalek Institutt for matematiske realfag og teknologi (IMT) Masteroppgave 30 stp. 2010

2 I. Forord Masteroppgaven er utarbeidet på institutt for matematiske realfag og teknologi(imt), ved Universitetet for miljø- og biovitenskap(umb), høsten Studiet Byggeteknikk og arkitektur ved UMB har gitt meg kunnskap og innsikt i arbeidsprosessene til arkitekter og ingeniører, gjennom fordypning i bygningsplanlegging og trekonstruksjoner. Ved siden av studiet har jeg det siste året jobbet for Graphisoft AS i samarbeid med Strusoft. Arbeidstiden i Graphisoft AS har bidratt til økt forståelse for praktisk bruk og programvareutvikling for arkitekter og ingeniører. Kompetansen fra Graphisoft AS i kombinasjon med studieretningen på UMB har motivert meg til å skrive om Bygnings Informasjon Modeller(BIM) og trekonstruksjoner. Takk til mine veiledere Nils Ivar Bovim(trekonstruksjoner) og Eilif Hjelseth(BIM) for faglig støtte, Kai Viggo i Teknisk Data As for støtte i Robot Structural Analysis, Graphisoft Norge og til alle som leste korrektur. Universitetet for Miljø og Biovitenskap(UMB), desember Natalia Marszalek BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 1

3 II. Sammendrag Oppgaven er direkte rettet mot rådgivende ingeniører(brukere), programvareleverandører/-utviklere og arkitekter som jobber med Building Information Model(BIM). Valg av tema BIM og trekonstruksjoner ble gjort med utgangspunkt i reduserte muligheter for dimensjonering av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner i BIM, og utfordringer rådgivende ingeniør bygg(rib) har ved bruk av BIM-verktøy til modellering og analyser. Oppgaven fokuserer på dokumentering av informasjon og prosess i en konkret dimensjoneringsløsning for mekaniske forbindelser i BIM. Dokumentering av dimensjoneringsløsningen skal bidra til at rådgivende ingeniør bygg(rib) kan få bedre oversikt over hva som skjer bak brukergrensesnittet. For å supplere eksisterende programvareløsninger for dimensjonering av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner, vektlegges beregning av forbindelsenes virkelige stivheter for kunne oppnå mer realistiske beregningsresultater. BIM består av mange ulike typer objekter (vegger, dører, bolter, søyler, osv.), men informasjonen i objektene er per i dag ikke standardisert. Dette betyr at BIM fra ulike programmer kan inneholde ulik mengde informasjon, samtidig som den samme informasjonen i objektene kan være navngitt forskjellig. Dermed resulterer dette i tap av informasjon ved utveksling av BIM med et åpent format(ifc). For å kunne oppnå kvalitetssikrede løsninger for RIB i BIM må informasjonen i objektene og prosessene bak løsningene dokumenteres for et godt samarbeid mellom byggenæringen og IT. Dokumenteringen av informasjon bak dimensjoneringsløsningen som utvikles i denne oppgaven, gjennomføres via standarden Information Delivery Manuals(IDM) - ISO :2010. Oppgaven fokuserer dermed på kvalitetssikring av informasjon og prosess i BIM for dimensjoneringsløsningen av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner. Standardisering av informasjon og prosess i IDM - ISO :2010, skal bidra til at RIB kan benytte BIM-programmer kvalitetssikret. Ved IDM skal RIB kunne stole på at objektene som benyttes til analyse inneholder den informasjon som er nødvendig for dimensjonering av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner. Optimale BIM-programmer bidrar dermed til effektiviserte arbeidsprosesser, hvor RIB kan benytte løsningene til å teste ut spenstigere løsninger. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 2

4 III. Abstract The thesis is directly aimed at consulting engineers (users), software vendors/developers and architects who work with the Building Information Model/Modeling (BIM). The choice of the topic BIM and Mechanical Joints in Timber Structures was made on the basis of reduced opportunities for design of mechanical connections in timber structures in BIM, and challenges engineers have with the use of BIM tools for modeling and analysis. The thesis focuses on the documentation of information and process in a specific design solution for mechanical connections in BIM. The documentation of the design solution will help the engineers to get a better overview of what is happening behind the user interface in a BIM application. To supplement the existing software solutions for design of mechanical connections in timber structures, the solution in this thesis focuses on the calculated stiffness of the mechanical fasteners to provide more realistic results. BIM consists of many different types of objects (walls, doors, bolts, etc.), but the information in the objects is currently not standardized. This means that the BIM from different applications may contain different amounts of information, while the same information in the objects can be named differently. This results in loss of information, when we exchange BIM with an open format (IFC). In order to achieve quality assured solutions for engineers in BIM, the information in the objects and processes behind the solutions needs to be documented for a good cooperation between the construction industry and IT. The documentation for the design solution in this thesis will be mapped in a BIM standard called Information Delivery Manual (IDM) ISO :2010. Therefore the thesis focuses on the quality of information and process in the BIM design of mechanical connections in timber structures. Standardization of information and process in IDM - ISO :2010 will contribute to the use of BIM software by engineers. IDM will help engineers to have a better overview of the necessary information in the objects that are used for analysis of the mechanical fasteners in timber structures. Optimal BIM applications contribute to streamlined work processes, where engineers can use the BIM solutions to test more complex structures. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 3

5 Innholdsfortegnelse I. FORORD... 1 II. SAMMENDRAG... 2 III. ABSTRACT... 3 INNHOLDSFORTEGNELSE INNLEDNING OG PROBLEMSTILLING PROBLEMSTILLING AVGRENSNING OG FORUTSETNINGER DEFINISJONER TEORI TREKONSTRUKSJONER Mekaniske forbindere i trekonstruksjoner FORBINDELSENS STIVHET BEREGNINGSMODELL FOR FORBINDERGRUPPER Elastisk beregningsmodell Utledning av forbindelsens stivhet BIM BUILDING INFORMATION MODELING/MODEL BIM, PROPERTY SETS OG IDM IDM - INFORMATION DELIVERY MANUAL, ISO : Oppbygning av IDM Sammenheng mellom IDM og Model View Definitions(MVD) EKSPERTSYSTEMER OG KUNNSKAP IDM I ET KUNNSKAPSPERSPEKTIV EKSPERTSYSTEM OG ØKONOMI MODELLSJEKKING AV BIM MÅLSETTING FORUTVIKLING AV BIM TEKNOLOGI TEORIEN SETT I SAMMENHENG METODE UNDERSØKELSE AV PROGRAMMER INNENFOR TREKONSTRUKSJONER Tekla Structures Autodesk Robot Structural Analysis Professional StatCon TimberJoint BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 4

6 1.17 METODER FOR DIMENSJONERING AV MEKANISKE TREFORBINDELSER I BIM Eksisterende programvarer og metoder Tradisjonell arbeidsprosess for RIB Metoden som danner grunnlag for IDM GJENNOMFØRING / RESULTATER IDM FOR MEKANISKE FORBINDELSER I TREKONSTRUKSJONER Oppbygningen av IDM i denne oppgaven Forklaring av oppbygningen til PM PM for dimensjonering av mekaniske forbindelser med BIM EXCHANGE REQUIREMENTS(ER) OG FUCTIONAL PARTS(FP) UTFYLLENDE KOMMENTARER TIL IDM OG FUCTIONAL PARTS(FP) ER-1: BJELKE VURDERINGER OG RESULTATER AV RAMME I BYKLE KIRKE Dimensjonering av forbindelsen i rammehjørnet av Bykle Kirke DISKUSJON KONKLUSJON VIDERE ARBEID LITTERATUR VEDLEGG VEDLEGG A: FORBINDELSER I TREKONSTRUKSJONER K.W. Johansens metode Forbindelse dimensjonering etter EC VEDLEGG B: FEM FINITE ELEMENT METODEN VEDLEGG C: GENERELT OM BIM Building Information Model/modeling(BIM) BIM-standardisering BIM og det økonomiske aspektet VEDLEGG D: BIM OG ARBEIDSPROSESSER IDDS Integrated Design and Delivery Solutions IDDS sett i en større sammenheng VEDLEGG E: BEREGNING AV RAMMEN I BYKLE KIRKE BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 5

7 1. Innledning og problemstilling Avsnittene i dette kapitelet omhandler bakgrunnen for oppgaven. Avsnittene beskriver temaene som danner grunnlag for valg av problemstilling. Automatiserte beregninger av trekonstruksjoner Treteknisk Institutt startet med automatisering av beregninger av trekonstruksjoner rundt Takstolprodusentene var en av de første som benyttet programmene og bidro til finansiering av utviklingen. De første programmene var basert på Finite Element Metoden(FEM) og ble benyttet frem til år Neste steg i utviklingen ble tatt av Odd Brynildsen, som lagde en løsning for dimensjonering av mekaniske forbindelser, i hovedsak spikerplater, i takstoler. I etterkant har disse løsningene blitt generalisert for å omfavne flere forbindelser, men hovedsakelig for takstoldimensjonering (NIB 2010). Mangel på relevant programvare I dag eksisterer det programmer på markedet som dimensjonerer mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner i BIM, men de store BIM-verktøy leverandørene har ikke fokusert sin utvikling rundt trekonstruksjoner, siden dette ikke har vært deres satsingsområde (EDR og Teknisk Data As 2010). Dette har ført til mindre utvikling innenfor BIM og trekonstruksjoner sett i forhold til stål- og betongkonstruksjoner, samtidig som trekonstruksjoner blir stadig mer populært som konstruksjonsmateriale i Norge: Langsomt øker bruker av tre som konstruksjonsmateriale. Trehusene blir høyere enn før, trebroene blir flere enn før... ifølge Rune Abrahamsen i Sweco (Teknisk Ukeblad 2010). Fokus på forbindelsenes stivhet I dag antar RIB ofte forbindelser i konstruksjoner som enten fullstendig momentstive eller momentfrie(leddet), men i virkeligheten er det slik at forbindelsene er semi-rigide. En semi-rigid forbindelse vil befinne seg et sted mellom en momentstiv og en leddet forbindelse. Semi-rigide forbindelser gjenspeiler forbindelsens stivhet i virkeligheten og ved større, statisk ubestemte konstruksjoner blir iterasjonsprosessen en tidkrevende arbeidsoppgave som nærmest umuliggjør manuelle beregninger. Ved å betrakte stivhetene i semi-rigide forbindelser kan RIB oppnå mer realistiske analyser ved Finite Elemtent Metoden. (NIB 2010). Iterasjonsprosessen kan forenkles med databaserte verktøy for å effektivisere arbeidsprosessen til RIB. Det eksisterer i dag programmer som tar hensyn til forbindelsenes stivhet ved statiske analyser, men programmene benytter ikke BIMobjekter for å gjennomføre analyse. Utfordringen ved bruk av BIM-objekter til analyse er at informasjonen i objektene ikke er spesifisert og kartlagt. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 6

8 BIM og Rådgivende ingeniør Bygg (RIB) Utveksling av informasjon i BIM er et kritisk punkt for RIB. What is critical in structural engineering is how data is transferred between these different categories of tools. (Khemlani 2007;b). Nødvendig informasjon i BIM-objekter går tapt dersom den ikke spesifiseres og kartlegges for de ulike fagfeltene ved overføring mellom programmene. Ved mangel av spesifisert informasjon i BIM-objektene kan verken analyser er utveksling av modeller gjennomføres kvalitetssikret. En annen utfordring med hensyn til BIM og RIB er at programmene benyttes enten kun til modellering av konstruksjoner eller kun for analyse. RIB må dermed overføre modellen sin fra et program til et annet for analyse. Når modellen overføres fra modelleringsprogrammet til analyseprogrammet mister RIB den effektive arbeidsprosessen med BIM. Grunnen til dette er at modellen endres i analyseprogrammet hvor dimensjoneringen foregår, for eksempel endres dimensjonen på tverrsnittet til konstruksjonselementene. Disse endringene må dermed manuelt endres i modelleringsprogrammet (det skjer altså ingen automatisk oppdatering av modellen etter dimensjoneringen). Løsninger for denne problematikken er allerede på vei inn på markedet, som for eksempel Scia Engineer. Figur 1 - Tråd- /analysemodell(øverst), modellering-modell(nederst) i Scia Engineer (Khemlani 2010;a) BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 7

9 RIB ens arbeidsprosess med BIM For å kunne oppnå en god arbeids- og informasjonsflyt for RIB er det hensiktsmessig at programmene for dimensjonering av konstruksjoner inneholder modellerings- og analysemuligheter i et program, slik at RIB slipper å foreta manuelle endringer. Dersom programvaren for RIB er i stand til å oppnå dette, vil disse programmene kunne brukes som et verktøy for RIB til analyser, dimensjonering, tegninger og detaljering i en helhetlig prosess, i én modell. Figur 2 Tradisjonell arbeidsflyt og BIM-programvare arbeidsflyt for RIB (Schinler 2008) Figur 2 illustrerer den tradisjonelle arbeidsprosessen til RIB og arbeidsprosessen med BIM. Ved den tradisjonelle arbeidsprosessen har utarbeiding av tegninger og analyser blitt gjort i to prosesser (Schinler 2008). Mens fordelen med BIM-arbeidsprosessen er at modellering- og analysemodellen befinner seg i én og samme informasjonsmodell hvor tegninger, resultater og detaljering, kan automatisk hentes ut fra den ene modellen. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 8

10 1.1 Problemstilling 1. Hvordan kan en dimensjoneringsløsning for mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner utvikles med hensyn til forbindelsenes stivheter i et BIM-program? 1.2 Avgrensning og forutsetninger Avgrensning og forutsetninger i forhold til trekonstruksjon: Utvalgt emne fra trekonstruksjoner: Mekaniske treforbindelser. De eksisterer to typer forbindelser i trekonstruksjoner, limte forbindelser og mekaniske forbindelser. Oppgaven er avgrenset til mekaniske forbindelser fordi det er i hovedsak disse som benyttes i store trekonstruksjoner. Valg av forbindelse som utgangspunkt for dimensjoneringsløsningen: Innslissede eller utenpåliggende lasker med stavformede forbindere. Beregningene av kraftfordelingen i forbindergruppen er basert på lineær-elastisk beregningsmodell. Grunnen til dette er at den lineær-elastiske beregningsmodellen er et dominerende beregningsprinsipp for forbindergrupper med hensyn til Finite Element Metode analyser (NIB 2010). Første ordens analyser, altså tar ikke løsningen i første omgang hensyn til de geometriske deformasjonene ved andre ordens analyser. Avgrensning i forhold til Building Information Model/Modeling(BIM): Fokus på I en (informasjonen) i BIM og analyse-/dimensjoneringsprogrammer. Fokus på BIM og prosesser i Information Delivery Manual (IDM). IDM består av: Prosesskartlegging(PM), byggfagligkartlegging(er) og IFC objekter(fp). BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 9

11 1.3 Definisjoner ARK RIB Arkitekt Rådgivende Ingeniør Bygg EC5 Eurocode 5, Design of timber structures, Part 1-1: General Common ruled and rules for buildings. Gjeldende standard for dimensjonering av trekonstruksjoner. BIM BygningsInformasjonsModell når man snakker om produktet BygningsInformasjonsModellering når man snakker om prosessen. åpenbim BIM basert på fritt tigjengelige (ikke programvare avhengig) standarder(iso) Fagmodell En BIM som tilhører et fagfelt innenfor prosjektet. IFC IFD Industry Foundation Classes, ISO Utvekslingsspråk for åpenbim. International Framework and Dictionaries IDM Information Delivery Manual - ISO :2010 PM Process Map ER FP Exchange Requirements Functional Parts OOP Objektorientert programmering CIB International Council for Research and innovation in Building and Construction. CIB ble til for å støtte internasjonalt samarbeid og informasjonsflyt mellom statlige tekniske forsknings institutter. I dag har CIB rundt 500 medlemmer. IDDS Interoperabilitet Intergrated Design and Delivery Solutions Informasjonsutveksling med et åpent format mellom ulike programmer. Lineæritet Lineær sammenheng mellom belastninger og deformasjoner BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 10

12 2. Teori Oppgavens teoridel er todelt. Første del omhandler mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner, andre del omhandler teorien rundt BIM. Teoridelen i denne oppgaven er bygget opp slik som Figur 3 illustrerer. Først omtales mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner med fokus på forbindelsenes stivheter og beregningsmodeller. Deretter beskrives BIM (som i prosess og modell) med fokus på informasjon og informasjonsbehandling i modellene. Figur 3 - Oppgavens oppbygning av teoridelen BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 11

13 1.4 Trekonstruksjoner Dimensjonering av trekonstruksjoner gjøres etter Eurocode 5(EC5). Teorien om forbindelser er avgrenset til de temaene som har mest betydning for besvarelse av problemstillingene. Supplerende teori for forbindelser er lagt i VEDLEGG A Mekaniske forbindere i trekonstruksjoner I trekonstruksjoner skilles det mellom mekaniske forbindelsesmidler og limteforbindelser. Oppgaven fokuserer på mekaniske forbindelsesmidler. Mekaniske forbindere har en større evne til å deformere seg under lastpåkjenning enn limteforbindelser, illustrert i Figur 4. Grunnen til dette er at mekaniske forbindere er duktile. Duktilitet(evne til å deformere seg før brudd) = Brudd-deformasjon / Elastisk deformasjon. Det skal mye arbeid til for å få brudd i en duktil forbinder (NIB 2009). Figur 4 - Arbeidslinjer for de ulike forbindelsene (NIB, 2009) En fellesbetegnelse for mekaniske forbindere er stavformede forbindere. Stavformede forbindere er: Spiker, kramper, bolter, stavdybler og treskruer. Denne typen forbindere kan ta opp tre typer belastninger, se Figur 5. Figur 5 - Krefter som tas opp av forbindere (NIB, 2009) BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 12

14 1.5 Forbindelsens stivhet Forbindelsenes stivheter kan kategoriseres som: Momentstive: Forbindelsen skal overføre moment fullstendig via forbindelsen. Jo stivere forbindelsen er, jo større krefter vil den pådra seg, og det er disse kreftene forbindelsen må kunne overføre. (Bell 2007) Halv-stiv (semi-rigid): Stivheten til forbindelsen avhenger direkte av utformingen til forbindelsen,... en slik forbindelse vil befinne seg på skalaen mellom momentstiv og momentfri. Dette vil avhenge ikke bare av forbindelsens utførelse, men også av stivhetsforholdene til komponentene den forbinder. (Bell 2007) Momentfrie (leddet): Forbindelsen overfører ikke momenter. Ved momentfrie forbindelser er vi nødt til å vurdere om forbindelsene tar de rotasjonene som oppstår. Forutsetningen for hvilken type forbindelse en har, er definisjonen i følge (Treteknisk 2007), En forbindelse kan antas å være rotasjonsstiv(momentstiv) dersom deformasjonen ikke har signifikant betydning for fordelingen av krefter og momenter i konstruksjonen. Ellers kan forbindelsen antas å være leddet(momentfri). Men i virkeligheten vil de forbindelsene vi beregner være, ifølge Bell (2007):... et sted mellom den momentstive forbindelse og det momentfrie ledd; det er en såkalt myk eller halv-stiv ( soft or semirigid ) forbindelse. Utfordringen ved dimensjonering av forbindelser er at vi ikke kan... si så mye om stivheten til forbindelsen før vi har dimensjonert den, og vi kan ikke dimensjonere den før vi kjenner de kreftene den skal overføre. Vi må altså gjøre noen antagelser... (Bell 2007). Å anta forbindelsens utforming er vanskelig dersom en ikke har kraftfordelingen til konstruksjonen, men kraftfordelingen kan ikke bestemmes sikkert før vi vet stivheten til forbindelsen. Dermed er dimensjonering av forbindelser en iterativ prosess som starter med at man gjør antagelser. Programmer for analyse av trekonstruksjoner har muligheter til å gjennomføre denne iterasjonsprosessen, hvor utforming, stivhet og kraftfordeling optimaliseres, men ifølge Bell (2007):.. det vanlige er nok fortsatt at man regner enten som om forbindelsen er momentstiv eller momentfri (dvs et ideelt ledd). BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 13

15 Utfordringen ved den iterative prosessen for dimensjonering av forbindelser beskrevet av Bell kan underbygges med Finite Element Metoden(FEM), som er en deformasjonsmetode for systematisk bestemmelse av lastvirkninger på konstruksjonen. (Supplerende teori om FEM i VEDLEGG B: FEM Finite Element Metoden). Matrisene for elementene i FEM er bygget opp av en stivhetsmatrise k, forskyvningsmatrise d og en kraft matrise r: {k} {d}={r} Ved å vurdere ligningen ovenfor ser vi at det er sammenheng mellom stivhet, deformasjon og kraft. For eksempel kan vi se på et tilfelle hvor vi øker stivheten til en forbindelse. Ved øking av stivheten til forbindelsen vil det av ligningen ovenfor resultere i at kraften som forbindelsen overfører øker. Ved en kraft økning må utformingen av forbindelsen endres, slik at den kan ta opp de kreftene som forekommer. Ved endring av forbindelsens utforming endres stivheten til forbindelsene og kreftenes endres enda en gang. Dermed resulterer dette i at dimensjonering av forbindelser som tar hensyn til forbindelsenes virkelige stivhet må itereres frem til den optimale kombinasjonen av kraft, forskyvning og stivhet ved en gitt lastkombinasjon. FEM og statisk bestemthet I statisk bestemte konstruksjoner vil forbindelsesdimensjoneringen kunne forenkles da kraftfordelingen kan løses ved likevektsbetraktninger. For statisk ubestemte konstruksjoner vil effekten av forbindelsens stivhet normalt ha en vesentlig betydning. Ved større, statisk ubestemte konstruksjoner blir iterasjonsprosessen en tidkrevende arbeidsoppgave som nærmest umuliggjør manuelle beregninger, spesielt når det finnes flere ukjente variabler som er gjensidig avhengig av hverandre (NIB 2010). Dermed er det hensiktsmessig å utvikle FEM programmer for å effektivisere beregningsprosessene til RIB ved større konstruksjoner som tar hensyn til forbindelsenes stivheter. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 14

16 1.6 Beregningsmodell for forbindergrupper Sentrisk og eksentrisk belastede forbindere i gruppe Ved forskjellig utforming av konstruksjoner angriper lastene ulikt på forbindelsene. Laster kan angripe i forbindergruppens tyngdepunkt (sentrisk) eller som en ytrekraft utenfor tyngdepunktet (eksentrisk), Figur 6. Ved eksentrisk lastpåkjenning oppstår det rotasjon i tillegg til deformasjon i kraftensretning (Treteknisk 2007). Figur 6 - Sentrisk og eksentriske forbindelser (Treteknisk 2007) Figur 7 - Krefter som virker på en forbindelse og eksentrisitetsmoment (NIB 2007) Figur 7 illustrerer hvilke krefter som virker på en forbindergruppe. Momentet som virker i tyngdepunktet av forbindergruppen er det opptredende momentet og et tilleggsmoment fra skjærkraften som ligger med en avstand e fra gruppens tyngdepunkt. Beregning av kraftfordeling på forbinderne kan gjennomføres ved en plastisk, elastisk og elastisk-plastisk beregningsmodell. Oppgaven er avgrenset til den elastiske beregningsmodellen. Den elastiske modellen forutsetter at sammenhengen mellom forskyvning og kraft er proporsjonal helt opp til bruddlast (Treteknisk 2007). Den elastiske beregningsmetoden har den ulempen at den ikke utnytter alle forbinderne fullt ut. Grunnen til dette er at forbinderen med størst påkjenning vil oppnå sin fulle kapasitet raskere enn de andre forbinderne. Det kan også være slik at noen forbindere kan ha en ugunstig vinkel mellom kraft og fiberretning, og dermed kan en forbinder med lavere påkjenning bli dimensjonerende (Treteknisk 2007). BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 15

17 1.6.1 Elastisk beregningsmodell Momentpåkjenning(M) av en forbindergruppe Figur 8 - Beregning av krefter som virker på den mest påkjente forbinderen ved den elastiske beregningsmetoden (NIB, 2009) Ved momentpåkjenning av en forbindergruppe kontrolleres forbinderne i forbindelsen ved å finne den mest påkjente forbinderen. Den mest påkjente forbinderen i forbindergruppen er, forbinderen som ligger lengst unna forbindergruppens tyngdepunkt. Avstanden til denne forbinderen er r max. Vi finner resultatet til den mest påkjente forbinderen ved formelen: R =(M r ) r Utledningen av formelen: Kraft er proporsjonal med tyngdepunktsavstand R r = R r =R r =... = R r = R r R =(R r ) r og R =(R r ) r Momentet er definert som kraft x arm M= R 1 r 1 +R 2 r 2 +R 3 r BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 16

18 Dermed kan vi skrive at M= (R r ) r r + (R r ) r r + + M= (R r ) r + (R r ) r + + M= (R r ) r Dermed blir R =(M r ) r Aksial- (N) og skjærkraft(v) En forbindergruppe kan i tillegg til moment, bli belastet av en aksialkraft (N) og en skjærkraft (V). Ved disse to tilfellene fordeles kreftene likt på alle forbinderne i gruppen, men kun dersom alle forbinderne er like. R =V n og R =N n R Vi R Ni V N n Fordelt skjærkraft per forbinder Fordelt aksialkraft pr forbinder Opptredende skjærkraft Opptredende aksialkraft Antall forbindere i forbindelsen Det totale resultatet som virker på forbinderen lengst fra forbindergruppens tyngdepunkt blir da summen av alle resultantene fra moment, aksial og skjær. R = R +R +R BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 17

19 Forbindelsens rotasjonssenter Forbindergruppen blir på kjent av moment (M), skjær (V) og aksialkraft (N). Disse kreftene til sammen utgjør en resultant som virker på forbindergruppen. Gruppen vil rotere om et punkt, her kalt rotasjonssenter, hvor vektorsummen av M, N og V er null. Rotasjonssenteret er det punktet som forbindelsen vil rotere etter. Ved dimensjonering av forbindelsene vil dette rotasjonssenteret befinne seg på ulike plasseringer avhengig av forbindelsens utforming og kraft som den påkjennes for. Ved dimensjonering av forbindelsene defineres rotasjonsstivheten til forbindelsen i rotasjonssenteret som en rotasjonsfjær, for å simulere stivheten til forbindelsen. Utfordringen her er å ta hensyn til rotasjonssenterets plassering under dimensjoneringen siden det vil forflytte seg avhengig av forbindelsens utforming, kraftfordeling og lastkombinasjon. Figur 9 - Rotasjonssenter (NIB 2009) Resultant R: R= R +R Avstanden fra tyngdepunktet til resultanten: e=m/r Kraften på forbinderen fra resultanten, R, om rotasjonssenteret: R, =(R e r )/ r Resultanten, R, fordelt på alle forbinderne: R, =r n Armen fra rotasjonssenteret til mest påkjente forbinder: r = r (e n) BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 18

20 1.6.2 Utledning av forbindelsens stivhet Figur 10 - Elastisk beregningsmetode for forbindere i gruppe (Treteknisk, 2007) Når momentet virker på forbindelsen vil det oppstå en rotasjon (ω) om rotasjonssenteret, på figuren merket med C. Det totale momentet i forbindelsen gis ved: M= F, r Forskyvningen av den enkelte forbinderen uttrykkes ved rotasjonen (ω) og armen (r i ): =ω r Hvor kraften er proporsjonal med forskyvningen: F, =K k α,i er glidemodul ( slip modulus ), i EC5 heter den K ser, pkt.7.1 og gjelder for bruksgrensetilstanden. Glidemodulen i bruddgrensetilstanden er gitt i pkt.2.2.2(2) i EC5 og er 2/3 x K ser. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 19

21 Dermed kan rotasjonen (ω) uttrykkes som: ω= F (K r ) Kraftkomponenten blir da: F Mi = K ser r i ω Momentet kan uttrykkes ved stivheten til forbindelsen (k θ ) og rotasjonen (ω): M= k ω Dermed blir: F =((K r ) k ) M Og M= F r = K r ω =ω K r Stivheten til forbindelsen i bruksgrensetilstanden kan uttrykkes som: k, =K r Stivheten til forbindelsen i bruddgrensetilstanden kan uttrykkes som: k, = 2 3 K r BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 20

22 1.7 BIM Building Information Modeling/Model Teorien rundt BIM er avgrenset til de temaene som har mest betydning for besvarelsen av problemstillingene. Supplerende BIM-teori er lagt i VEDLEGG C: Generelt om BIM. Neste steg i utviklingen av BIM Figur 12 illustrerer utviklingen av BIM. Fra var det i utviklingen fokus på utvekslingsformatet IFC. IFC bidrar til at flere parter i prosjektet kan samarbeide ved å dele modeller uavhengig av programvare. Utviklingen har kommet så langt at det i dag er bedrifter som benytter BIM og IFC for å skape åpnebim for å effektivisere arbeidsprosessene i prosjektene. For å oppnå en pålitelig åpenbim og et godt BIM-samarbeid er prosjekterende og programvareleverandører nødt til å fokusere på kvaliteten av informasjonen ved utveksling mellom alle partene i et prosjekt. Figur 11 Illustrerer den ideelle tankegangen rundt åpenbim (buildingsmart 2010:c) For å tilfredsstille tankegangen i Figur 11, er neste utviklingsprosjekt med BIM, kvalitetssikret informasjonsutveksling ved hjelp av Information Delivery Manuals IDM. Figur 12 BIM utvikling (buildingsmart 2010:c) BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 21

23 1.8 BIM, Property Sets og IDM En BIM består av mange ulike objekter, et objekt kan for eksempel være: Fysiske elementer (dører, vinduer, rør, ventiler, dragere, lys, etc.) Rom (etasjer, bygg, områder og andre eksterne plasser) Prosesser i prosjekteringsfasen, bygging og drift Mennesker og involverte organisasjoner Relasjoner mellom objekter. (buildingsmart 2008:f) Ved objektorientert programmering(oop) kan programmereren tilegne objektene i BIM egenskaper som de har i den virkelige verden. Et eksempel på et objekt i BIM kan være en vegg, illustrert i Figur 13. Objektet vegg må inneholde en mengde informasjon, egenskaper og relasjoner for å kunne benyttes til flere formål i prosjekteringsfasen, som for eksempel til; dimensjonering, visualisering, energisimuleringer, mengdeberegninger osv. De nødvendige egenskapene til objektet vegg kan da hentes til det formålet en ønsker å studere ytterligere. Egenskapene til objektene i BIM kan tilegnes i ulike programmeringsspråk. For å få til en åpenbim har BuildingSMART utviklet IFC som standardiserer navngivingen av egenskapene til objektene, slik at disse kan importeres og eksporteres mellom programmer som støtter IFC. En samlebetegnelse for egenskapene til objektene i IFC er Property Sets. Figur 13 BIM - Building Information Model (buildingsmart 2010: d)) Egenskapene til objektene(property Sets) og utvikling av BIM-programvare har til i dag blitt bestemt av programvareutviklere i dialog med brukere og etter egne vurderinger av markedet (buildingsmart 2010: b)). Det er nå behov for at informasjonen i objektene i BIM struktureres og prosessene kartlegges for å få til kvalitetssikrede programvareløsninger. Dermed har buildingsmart standardiseringen igangsatt utviklingen av Information Delivery Manuals(IDM) som skal kartlegge hvilke egenskaper(property Sets) objektene i BIM skal inneholde for en spesifikk oppgave. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 22

24 1.9 IDM - Information Delivery Manual, ISO :2010 IDM er et dokument som spesifiserer informasjonen i objektene og prosessene som er nødvendig for å gjennomføre en spesifikk oppgave innenfor BIM, illustrert i Figur 14. En IDM kan brukes av programvareutviklere, programvarebrukere og leverandører innenfor de ulike fagfeltene i et byggeprosjekt. Betegnelsen IDM benyttes i denne oppgaven, da dette er en forkortelse som har vært benyttet i det meste av eksempler på byggfaglige informasjonsleveranser(hjelseth 2010). IDM er en forkortelse for Information Delivery Manual. Ved direkte oversettelse blir dette litt lite dekkende begrep, dermed velges det å se på Delivery som leveranse fra modellen tilpasset brukeren og vedkommende behov, d.v.s. at brukeren henter relevant informasjon. Manual bør oppfattes som en spesifikasjon av informasjon som er tilgjengelig(hjelseth 2010). Figur 14 - IDM skal utvikles for alle prosesser i BIM (buildingsmart 2010:d, redigert) IDM består av to hoveddeler som spesifiserer hva slags informasjon som trengs i de ulike fasene av et BIM-samarbeid, og hvordan kvalitetssikret informasjon utveksles/brukes. Ved dimensjonering med en programvare er det viktig at objektene i BIM inneholder den nødvendige informasjonen for å kunne gjennomføre beregninger kvalitetssikret. IDM skal også brukes som spesifikasjonskrav ved import og eksport mellom programmer som støtter interoperabilitet(utveksling av BIM med IFC). Viktigheten av en IDM kan beskrives med problematikken rundt IFC, hvor IFC kan navngi elementene ulikt i to forskjellige programmer. Dermed er det viktig med en IDM som spesifiserer hvordan informasjonen som skal eksporteres og importeres skal navngis. Ved å ha en IDM for alle prosessene i et prosjekt, vil programmerere og brukere ha et dokumentert grunnlag for hva som blir utvekslet av informasjon, av hvem og når. Med en IDM kan programvareleverandører unngå Black-Box Solutions (programvareløsninger hvor informasjonen ikke er kartlagt og/eller tilgjengelig for brukere og leverandører). IDM skal bidra til kartlegging av informasjonen, slik at brukere kan stole på informasjonsinnholdet i BIM. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 23

25 1.9.1 Oppbygning av IDM IDM består av to hoveddeler, illustrert i Figur 15. Del 1: Spesifisering av informasjon Figur 15 IDM oppbygning buildingsmart(2010;g, redigert) Spesifiseringen av informasjonen i IDM består av 3 punkter: 1. PM Process Map (Prosesskartlegging): Hva? Hvem? Hvordan? Og Når? PM er en tabell som illustrerer informasjonsflyten mellom de involverte partene og viser hva slags informasjon de trenger i de ulike fasene av samarbeidet. PM viser også hvem som er ansvarlig for informasjonen. PM gir en oversikt over informasjonsflyten fra start til slutt ved et BIM-samarbeid. 2. ER - Exchange Requirements (Byggfagligkartlegging): ER spesifiserer nødvendig informasjon som skal utveksles. Beskrivelsen er i tekstform, altså ikke teknisk. Det betyr at denne informasjonen kan benyttes til kartlegging for implementering i hvilken som helst programvare uavhengig av programmeringsspråk. Utformes for eksempel av en erfaren RIB. 3. FP - Functional Parts (Kartlegging i IFC): Her blir beskrivelsen av informasjonen fra ER oversatt til IFC. Dette gjøres ved navngiving av objektene(ifc Entity) og egenskapene til objektene(ifc Pset) etter IFC standarden. Denne informasjonen benyttes av programmereren. Del 2: Bruk av informasjon Inngår i bruk av BIM. VT - Vertification Tests, ER-Exchange Requirements og BR - Buisness Rules: Disse to punktene av IDM inngår i ekspertsystemer, beskrevet i kapittel 1.10 Ekspertsystemer og kunnskap. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 24

26 1.9.2 Sammenheng mellom IDM og Model View Definitions(MVD) Informasjonen som blir spesifisert i IDM skal implementeres inn i en programvare som støtter IFC. For at informasjonen i IDM skal kunne implementeres i en programvare må programmereren utforme en Model View Definitions (MVD). I en MVD definerer og kartlegger programmereren informasjonen og relasjonene til objektene med bakgrunn i informasjonsspesifikasjonene i IDM. En MVD benytter Exchange Requirements(ER) og Functional Parts(FP) fra IDM for å vite hvilken informasjon som skal inn i et program og hvilke relasjoner de ulike objektene inneholder, se Figur 16. Hovedforskjellen mellom en IDM og en MVD kan forklares med at IDM fokuserer på relasjoner og prosesser, mens MVD fokuserer på relasjoner og applikasjoner(programvare). Figur 16 - Sammenheng mellom IDM og MVD, figur basert på N.Nisbet AEC3 (2008) BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 25

27 1.10 Ekspertsystemer og kunnskap For at informasjonsutveksling i BIM skal kunne gjennomføres tilfredsstillende er en informasjonsleveranse, heretter kalt IDM(Information Delivery Manual) nødt til å støtte seg på fagkunnskap, slik at den nødvendige informasjonen til objektene i BIM blir entydig definert. Når objektene inneholder all den nødvendige informasjonen spesifisert i en IDM, kan de benyttes til analyse og beslutninger i et ekspertsystem: Knowledge + Inference = Expert Systems (Giarratano 2005) Dimensjoneringsløsningen av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner ses i denne oppgaven på som et ekspertsystem, Figur 17. Ekspertsystemer tar beslutninger basert på fakta som blir behandlet i en kunnskapsbase. Kunnskapsbasen benytter fakta fra brukeren og regler for å ta beslutninger. For at beslutningene skal være pålitelige er det nødvendig at kunnskapen i ekspertsystemet er basert på ekspertise. For å illustrere dimensjoneringsløsningen av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner som et ekspertsystem, kan vi se på brukeren som RIB, fakta som den spesifiserte informasjonen i objektene, kunnskapsbasen som IDM og Eurocode 5, og beslutningene som sendes tilbake til RIB som ekspertise, se Figur 17. Figur 17 - Grunnleggende funksjon for et ekspertsystem, figuren er redigert med bakgrunn i Giarratano (2005). Dersom informasjonen som går inn i ekspertsystemet er ukontrollert, blir beslutningene upålitelige: Garbage in, garbage out (Giarratano, 2005). Et eksempel på dette kan være at objektene i en BIM har manglende informasjon. Den manglende informasjonen sendes til kunnskapsbasen og beslutninger blir tatt. Beslutningene er her upålitelige, siden de ble tatt med bakgrunn i manglende informasjon. IDM er dermed nødt til å ses i et kunnskapsperspektiv for å understreke viktigheten av innholdet som skal inn i et ekspertsystem. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 26

28 1.11 IDM i et kunnskapsperspektiv Giarratano ser kunnskap i en hierarkisk sammenheng, illustrert i Figur Noise: Bunnen av hierarkiet består av støy som betyr at det eksisterer informasjon, men at informasjonen er manglende og forteller oss lite. 2. Data: Informasjon som er av interesse for et spesifikt bruk, men er ikke fullstendig definert. 3. Relevant informasjon: Relevant informasjon er informasjon som har blitt behandlet og spesifisert gjennom en prosess for et utvalgt emne. 4. Knowledge: Kunnskap defineres av Giarratano som viktig relevant informasjon som må vedlikeholdes. Figur 18 - Kunnskap i en hierarkisk sammenheng (Giarratano 2005) For å sette dette i BIM-sammenheng kan vi tenkes oss at BIM i dag inneholder informasjon for et spesifikt bruk, men informasjonen(property Sets) i objektene er ikke fullstendig og entydig definert. Uten entydig definering av informasjonen er det vanskelig for brukere å stole på innholdet i objektene. Dermed har utviklingen av IDM startet for å understreke viktigheten av relevant informasjon i objektene. Den relevante informasjonen i objektene og BIM-løsningene bør defineres av personer med byggfaglig kunnskap og erfaring(ekspertise), slik at det i IDM blir brukt riktig terminologi. Den relevante informasjonen spesifisert i IDM benyttes for å kunne trekke beslutninger basert på kunnskapen(reglene), Eurocode 5 for å kunne dimensjonere mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner(beslutning). BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 27

29 1.12 Ekspertsystem og økonomi Ved å se på dimensjoneringsløsningen av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner i BIM som et ekspertsystem, skal BIM bidra til at beslutninger basert på kunnskap og ekspertise kan tas i en tidligere fase av prosjekteringen. Dersom beslutninger kan tas i en tidligere fase av prosjektering vil dette resultere i en økonomisk gevinst, illustrert i Figur 19. Figur 19 - BIM sett i et økonomisk perspektiv (Patric McLeamy) I en tidligfase av prosjekteringen forekommer det mange endringer fra både ARK og RIB sin side. Ved ekspertsystemer i BIM blir det en mulighet å kunne trekke bevisste beslutninger tideligere, dersom BIM-løsningene blir optimale. Kunnskapsbaserte ekspertsystemer gjør at arbeidsprosessene i prosjektene effektiviseres. Istedenfor at RIB utformer tegninger fra bunnen av i 2D for hver endring, har RIB ved optimale BIM-løsninger muligheten til å oppdatere fagmodellen for endringer og foreta analyser på et tidligere nivå enn før. Ved tidsbesparende arbeidsprosesser med BIM kan det tenkes at RIB kan teste ut flere utforminger av konstruksjoner for å bidra til at prosjektene får optimaliserte løsninger istedenfor at beslutninger blir tatt på erfaring på grunn av tidsmangel. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 28

30 1.13 Modellsjekking av BIM Vi kan se på modellsjekking som et rammeverk for optimalisering av eksisterende ekspertsystemer (Hjelseth og Nisbet 2010). Modellsjekking av BIM forbindes ofte med validering og ja/nei systemer eller geometriske kollisjonstester (kontroll på om de intelligente objektene går inn i hverandre). Modellsjekking handler om å gjøre ting riktig, med andre ord at modellene inneholder den riktige informasjonen som kan optimalisere kunnskapsdelingen med BIM. Med modellsjekking kan vi unngå svake beslutninger ved at modellene inneholder den spesifiserte informasjonen. Utfordringen med modellsjekking er å redusere kunnskaps-suppen som består av: Over-generalisering, ufullstendige definisjoner, motstridende standard og uforutsette løsninger (Hjelseth og Nisbet 2010). Ved modellsjekking kontrolleres innholdet i modellen mot et sett av regler og begrensninger. Svaret er ja/nei på om modellen inneholder det den skal i forhold til reglene og begrensningene. Faren her er at reglene som modellen kontrolleres for er manglende og modellen blir dermed verifisert med utgangspunkt i manglende regler. Brukeren må dermed være oppmerksom på hva som blir kontrollert og hva som ikke blir kontrollert. Ved hjelp av IDM som inneholder informasjon om innholdet i objektene, kan denne spesifiseringen direkte brukes som et filter for hva objektene skal inneholde. Hjelseth og Nisbet beskriver fire konsepter for modellsjekking: (1) Validerende(validating); kollisjonstester og regelsjekker, (2) Veiledende (guiding); foreslår mulige løsninger for brukeren ut fra forhold som identifiseres i modellen til realistiske valg ut ifra en situasjon, (3) Adaptive design og (4) Content based checking. IDM kan direkte benyttes i (3)Adaptive design og (4)Content based Checking. (3) Selvtilpassende objekter(adaptive design). Her tilpasser objektene seg automatisk miljøet de befinner seg i med bakgrunn i forhåndsdefinerte regler. Objektene tilpasser seg automatisk i forhold til en gitt regel. Programmet tilegner for eksempel en tom vegg med sjikt med bakgrunn i brukerens valgte preferanser om bygget generelt som utgangspunkt. (4)Sjekking av byggfaglig innhold i en informasjonsmodell(content based checking). Her sjekker man om informasjonsmodellen inneholder relevant informasjon for en spesifisert oppgave. Innholdet i BIM skal kontrolleres mot et definert sett av informasjon (Exchange Requirements i en IDM). I praksis vil man benytte flere av disse konseptene, ikke bare det validerende som for tiden er mest utbredt. Solibri Model Checker er for eksempel en mye brukt validerende modellsjekker (Hjelseth 2010). Objektene som benyttes i dimensjoneringsløsningen som er utviklet i denne oppgaven vil hovedsakelig defineres som en selvsjekkende objekt ved at størrelsen og antall dybler og deres dimensjoner tilpasses til belastninger(krefter) som bjelken utsettes for i henhold til regler fra Eurocode 5(EC5). BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 29

31 1.14 Målsetting forutvikling av BIM teknologi Utvikling av ekspertsystemet(dimensjoneringsløsningen for mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner) har fokus på tiltak beskrevet i Information Design & Delivery Solutions(IDDS), (supplerende informasjon i VEDLEGG D: BIM og arbeidsprosesser) når det gjelder det teknologiske aspektet. IDDS beskriver problematikk og forslag til fremtidig oppnåelse ved BIM, når det gjelder menneskene, prosessene og teknologien. Tabell 1 beskriver utfordringene ved utviklingen i et fremtidsperspektiv når det gjelder teknologien i BIM. (CIB 2009) Tabell 1: Anbefalte tiltak fra CIB IDS 2009 Workshop. Kortsiktig Mellomlangsiktig Langsiktig - Utvikling av verktøy for testing - Finne frem til riktige standarder - Utvikle verktøy parallelt med etterspørselen - Simuleringer og testing - Produktmodell - Utvikle modelleringsverktøy - Dele standarder - Standard inndata og grensesnitt - Løsningene er skapt for fleksibilitet og anvendelig arkitektur - Deling av modellen - Utvikle et helhetlig rammeverk som støtter fleksible prosesser og modelleringsverktøy - Utvikle teknologi som påvirker brukeren - Utvikle grensesnittet til standarder - Informasjonsmodellen for bygg og omgivelser vil støtte fult ut beslutninger i løpet av hele prosjektets livsløp - åpenbim Mulige utfordringer: Konkurransedyktige kommersielle interessenter versus åpne formater og kunnskapsdeling, for mange standarder, for mye fokus på teknologi og ikke på konstruksjon, kortsiktig forretningssammenhenger, kostnad og tid av utvikling. For å få til utfordringene i Tabell 1 er det hensiktsmessig å ha motivatorer som for eksempel: Kritisk masse, krevende brukere, organisasjoner og reguleringer av regler og funksjoner, samarbeid mellom ulike interessenter, færre standarder, grensesnitt tilpasset standard, testere. (CIB 2009) Dimensjoneringsløsningen tar direkte hensyn til utfordringene i Tabell 1 og problematikken beskrevet i IDDS sine fire deler, når det gjelder teknologi, mennesker og arbeidsprosesser. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 30

32 1.15 Teorien sett i sammenheng For å kunne se teorien om mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner i sammenheng med teorien rundt BIM, illustrerer Figur 20 hvor teorien om forbindelsene kommer direkte inn i bildet når det gjelder BIM. Figur 20 - Sammenhengen mellom teorien om mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner og BIM En dimensjoneringsløsning av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner ses på som et ekspertsystem hvor informasjonen i de intelligente objektene spesifiseres i en IDM. IDM inneholder ikke kun informasjonen i objektene, men spesifiserer også prosessen for håndtering av informasjonen i BIM med bakgrunn i metodikken for dimensjonering av mekaniske forbindelser. Kunnskapen bak dimensjoneringsløsningen er i denne oppgaven basert på teorien for mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner og Eurocode 5(EC5). Utviklingen av dimensjoneringsløsningen for mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner har hovedfokuset på forbindelsenes stivheter for å få en mest mulig realistisk analyse av forbindelsene og trekonstruksjon. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 31

33 3. Metode Hensikten med dimensjoneringsløsningen av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner er at dimensjoneringsløsningen skal bli implementert i et program som har mulighet for statiske analyser ved Finite Element Metoden(FEM). Dimensjoneringsløsningen vil, i første omgang, være mest hensiktsmessig å benytte i forprosjektering og deretter i de senere prosjekteringsfasene, detaljprosjektering og produksjon. (Dersom det foreligger tilstrekkelig informasjon i skisseprosjektet fra ARK, kan det tenkes at dimensjoneringen av de mekaniske treforbindelsene også kan benyttes i den tidlige fasen av prosjekteringen. Dette vil avhenge av hvor mye informasjon ARK har spesifisert i denne fasen i et gitt prosjekt). Figur 21 illustrerer at dimensjoneringsløsningen i denne oppgaven støtter iterative arbeidsprosesser under prosjekteringen. Dette betyr at brukerne på en enklere måte kan foreta endringer og vurdere flere løsninger i BIM ved å jobbe i loop i motsetning til den tradisjonelle arbeidsprosessen hvor endringer er tidskrevende(nib 2010). Figur 21 Dimensjoneringsløsningen for forbindelser i prosjektering sammenheng. Løsningen kan benyttes hovedsakelig i forprosjekt, detaljprosjekt og produksjon. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 32

34 1.16 Undersøkelse av programmer innenfor trekonstruksjoner Valg av metode for dimensjoneringsløsningen er i denne oppgaven basert på undersøkelse av eksisterende programvare. Eksisterende programmer har forskjellige metoder for dimensjonering av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner og programmene har sine fordeler og ulemper. Ulempene er i hovedsak en konsekvens av at programmene ikke tilfredsstiller tankegangen bak BIM i tilstrekkelig grad. Ulike programvareleverandører har implementert dimensjonering av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner i sine programmer, men løsningene varierer når det gjelder interoperabilitet og automatisering av beregningene. For å se på mulighetene ved de ulike programmene er det blitt undersøkt 3 programmer med hensyn til dimensjoneringen av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner: - Tekla Structures, leveres i Norge av EDR modelleringsprogram - Robot Structural Analysis, leveres og utvikles av Autodesk modellering- og analyseprogram - StatCon TimberJoint, leveres og utvikles av Consultec analyseprogram Valg av programvaren som blir undersøkt, er gjort på bakgrunn av tilgjengelig programvare og programvarestøtte fra leverandørene Tekla Structures Ifølge EDR (2010), er Tekla Structures i dag en av markedets ledende modelleringsprogram for konstruksjoner. Tekla Structures er 3D BIM-løsningen som håndterer hele prosessen, fra forprosjektet, gjennom prosjektering og detaljering samt produksjon og montasje på byggeplass. (EDR 2010) Mulighetene for modellering av trekonstruksjoner i Tekla Structures er begrenset. I programmet navngir brukeren materialene i materialkatalogen, og dimensjoneringsegenskapene kan tilegnes objektene. Ifølge Christian Lunde, (EDR support 2010): For å kjøre en analyse av trekonstruksjoner i Tekla er brukeren nødt til å tilegne egenskapene til trevirket til for eksempel en stålbjelke for at et analyseprogram som SAP2000, skal kunne gjenkjenne materialegenskapene, og dermed kjøre en statiskanalyse av trekonstruksjonen. Dimensjonering av forbindelser er ikke en mulighet i SAP2000. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 33

35 Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2011 Autodesk Robot Structural Analysis Professional software provides structural engineers with advanced structural analysis capabilities for large, complex structures. The software offers a wide range of analysis capabilities that enable you to investigate the linear and true nonlinear behavior of any structure. (Autodesk 2010). Programmet kan modellere trekonstruksjoner. Objektene i programmet inneholder de fleste konstantene en bruker trenger for å utføre trekonstruksjonsanalyser. Programmet dimensjonerer etter Eurocode 5 (EC5): Design of timber structures. Sammenføyninger av for eksempel bjelkeobjekter i trekonstruksjonen kan tilegnes stivheter og en statisk analyse kan gjennomføres. For dimensjonering av mekaniske forbindelser kan data fra den statiske analysen overføres til en tilleggsapplikasjon i Robot som heter Spreadsheet Calculator. I Spreadsheet Calculator har brukeren muligheter for dimensjonering av forbindelser. På dette stadiet er dimensjoneringen basert på regneark i Microsoft Excel som kan hente inn geometriske- og statikkdata direkte fra analysen i Robot. Resultatene fra dimensjoneringen av mekaniske treforbindelser kan kun skrives ut av Excel-regnearket som et dokument, men ingen informasjon blir tilbakeført til analysemodellen i Robot. Løsningene i Spreadsheet Calculator støtter mange typer forbindelser, men ikke alle. Innslissede stålplater med stavdybler er ikke mulig å gjennomføre per dags dato StatCon TimberJoint Är utvecklat för att underlätta arbetet med dimensionering och kontroll av laskförband och standardbeslag i konstruktioner med trä och limträ. (Consultec 2010) Programmets fokus er forbindelser i trekonstruksjoner og omfavner de fleste løsningene for dimensjonering. Forbindere og innslissede lasker dimensjoneres og geometrien tilpasses automatisk i modellen i programmet. Resultatet skrives ut som et dokument. StatCon TimberJoint støtter hverken Eurocode 5 eller interoperabilitet. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 34

36 1.17 Metoder for dimensjonering av mekaniske treforbindelser i BIM Eksisterende programvarer og metoder Programmene som er blitt undersøkt har ulike metoder for å dimensjonere mekaniske treforbindelser. For å generalisere dimensjoneringsløsningene som her har blitt undersøkt, eksisterer det to metoder for dimensjonering av mekaniske forbindelser, de blir i denne oppgaven beskrevet som Jobbe i linje - og Iterasjons -metode. Beskrivelsene av metodene i programmene tar utgangspunkt i disse spørsmålene: (1) Hvor i dimensjoneringsprosessen kommer stivhetene til forbindelsene inn i bilde? (2) Hvordan tilbakeføres resultatene til fagmodellen? (3) Støtter metoden interoperabilitet (kan fagmodellen sendes til en BIM ved et åpent format)? Jobbe i linje - metode basert på Robot Structural Analysis Figur 22 Jobbe i linje -metoden for dimensjonering av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 1. En fagmodell av konstruksjonen bygges opp enten direkte i Robot, eller via et passende BIMprogram som for eksempel Autodesk Revit, eller import av en IFC-modell. Forbindelsene i fagmodellen er i utgangspunktet regnet som full kobling, altså momentstive, ifølge Kai Viggo Munch (TDA-support 2010), men det er også en mulighet for å overstyre stivheten til forbindelsene i elementendene. 2. En statisk analyse av fagmodellen gjennomføres i Robot og kontrolleres mot EC5. 3. Ved å velge to elementer (f.eks. to bjelker) som er sammenføyd i fagmodellen, vil geometri samt krefter og momenter hentes direkte ut til et regneark, Spreadsheet Calculator, som startes opp for koeksistens med Robot. 4. Forbindelsen mellom de to utvalgte elementene dimensjoneres i regnearket. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 35

37 5. Resultatene fra dimensjoneringen av forbindelsen i regnearket kan kun tilbakeføres til fagmodellen manuelt. 6. Siden Robot er et BIM-program kan fagmodellen eksporteres tilbake til en BIM, men dette gjelder foreløpig bare til Autodesk Revit. Programmet støtter altså ikke tilbakeføring av BIM via et åpent format. Fordeler ved Jobbe i linje -metoden: 1. Den ferdig dimensjonerte fagmodellen kan tilbakeføres til en BIM. ARK og RIB kan kommunisere og utveksle informasjon (men foreløpig kun mellom Autodesk sin programvare, altså støtter ikke Robot tilbakeføring av fagmodeller til en åpenbim kun til Autodesk Revit) 2. Robot dimensjonerer mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner Ulemper ved Jobbe i linje -metoden: 1. Forbindelsene modelleres ikke i fagmodellen. Dermed er det ingen mulighet for å hente ut produksjonstegninger fra programmet når det gjelder forbindelser. 2. Resultatene fra dimensjonering av forbindelsene tilbakeføres ikke til fagmodellen. Dermed betyr dette at man jobber i linje, i motsetning til hvis programmet automatisk oppdaterte forbindelsene etter dimensjoneringen i fagmodellen. 3. Stivhetene som antas i endene av elementene er uavhengig av utformingen til forbindelsene i trekonstruksjonen. Denne antagelsen reduserer nøyaktigheten til resultatene fra den statiske analysen, siden det er utformingen av forbindelsene som bestemmer stivheten. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 36

38 Iterasjons - metode basert på StatCon TimberJoints Figur 23 - "Iterativ" metode for dimensjonering av mekaniske treforbindelser Fremgangsmåten for Iterasjons -metoden: 1. Brukeren antar utforming av forbindelsen og krefter som virker på forbindelsen. 2. Ut ifra disse antagelsene itererer programmet seg frem til den optimale løsningen ved en statisk analyse og dimensjonering. Brukeren kan manuelt prøve seg frem til ulike løsninger og dimensjonere forbindelsen. 3. Gjennom iterasjonsprosessen kommer programmet frem til den optimale løsningen basert på antagelsene og resultatet foreligger direkte i fagmodellen. Fordeler ved Iterasjons -metoden: 1. Antagelsen av kraftfordelingen og utformingen av forbindelsen gjør at stivheten til forbindelsen er tatt i med i den statiske analysen. 2. Brukeren sitter igjen med dimensjoneringsresultatet direkte i fagmodellen. Ulemper ved Iterasjons -metoden: 1. Resultatene kan ikke tilbakeføres til åpenbim. Programmet støtter ikke IFC. 2. Programmet er ikke oppdatert til EC5. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 37

39 Tradisjonell arbeidsprosess for RIB Metoden som skal beskrives i IDM for dimensjonering av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner tar hensyn til problematikken rundt den tradisjonelle arbeidsprosessen illustrert i Figur 24. Ved vurdering av hvordan en BIM-løsning for RIB skal se ut, er det hensiktsmessig å se på arbeidsprosessen i dag, her kalt den tradisjonelle arbeidsprosessen. Figur 24 - Tradisjonell arbeidsprosess ved dimensjonering av trekonstruksjoner 1. ARK jobber med utformingen av et bygg enten i 2D eller i 3D. Dersom konstruksjonen ikke er altfor kompleks, tegner ARK inn konstruksjonen. 2. RIB mottar fagmodellen fra ARK. 3. Dersom konstruksjonen er kompleks utformer RIB konstruksjonen. RIB modellerer og analyserer konstruksjonen i 2D eller i 3D, dimensjonering av konstruksjonen kan også bli avgjort på erfaring. 4. RIB sender konstruksjonsmodellen/tegningene tilbake til ARK enten i 2D eller i 3D. 5. Under de ulike prosjekteringsfasene vil ARK foreta endringer i modellen opptil flere ganger. RIB er nødt til å foreta endringer i konstruksjonsmodellen med hensyn til endringene til ARK. 6. RIB modellerer og analyserer konstruksjonen på nytt etter endringene til ARK. 7. ARK er tilfreds med prosjektet 8. Prosjektet er ferdig i 2D og/eller i 3D. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 38

40 Ulemper ved den tradisjonelle arbeidsprosessen: Mye dobbeltarbeid Ved den tradisjonelle arbeidsprosessen oppstår det mye dobbeltarbeid for både ARK og RIB ved endringer i løpet av prosjekteringsfasen. ARK sine 2D/3D tegninger korrigeres opptil flere ganger og RIB sine konstruksjoner må korrigeres for ARK sine endringer i 2D/3D. En liten endring fra ARK fører til mye dobbeltarbeid for RIB og omvendt. (NIB 2010) Redusert vurdering Vurderinger rundt utforming og endringer av konstruksjonene blir ofte tatt på erfaring fordi det ikke er lønnsomt, verken økonomisk eller tidsmessig, å om-modellere og analysere konstruksjonen for å teste ut ulike løsninger pga stadige endringer. Modellering og analyser av bygg i prosjekteringsfasen tar lang tid pga mye gjøres fortsatt manuelt eller pga programvarer som har manglende funksjonalitet. (NIB 2010) Ulempene ved den tradisjonelle prosessen kan løses med BIM og IDM. RIB og ARK kan unngå dobbelt arbeid ved å utveksle fagmodellene. Endringer under prosjekteringen vil forekomme og dermed er det en mulighet med BIM å fortløpende under prosjekteringen oppdatere fagmodellene sine for endringene som forekommer, istedenfor å om-modellere. Dersom BIM løsninger optimaliseres slik at tap av informasjon ikke lenger er et problem ved modellutveksling, vil tids- og kostnadsbesparelser realiseres ved bruk av BIM for RIB. Men som IDDS beskriver er det fortsatt en del problematikk som må løses, både når det gjelder mennesker, prosesser og teknologi innenfor BIM(se VEDLEGG D: BIM og arbeidsprosesser). BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 39

41 Metoden som danner grunnlag for IDM Dimensjoneringsløsningen fokuserer på fordelene ved allerede eksisterende løsninger og gir et forslag på hvordan ulempene og utfordringene kan løses for å få til en fullstendig løsning som tar hensyn til BIM og problematikken beskrevet i IDDS om mennesker, prosesser og teknologi. Med bakgrunn i metodene beskrevet i forrige kapittel Eksisterende programvarer og metoder, er det her utformet en metode for dimensjonering av forbindelser i trekonstruksjoner. Metoden ser statikken og stivhetene til forbindelsene i sammenheng. Grunnen til dette er at stivhetene til forbindelsene har innvirkning på deformasjonene og kraftoverføringene i hele det statiske systemet. Utformingen av forbindelsene bestemmer stivheten og påvirker dermed sluttresultatet for trekonstruksjonen. Metoden i denne oppgaven fokuserer på stivhetene i forbindelsene for å kunne oppnå mest mulig realistiske resultater av trekonstruksjonen og for å effektivisere arbeidsprosessen til RIB ved bruk av BIM. Prinsipiell skisse av metoden som danner grunnlaget for IDM Figur 25 - Metode for dimensjonering av mekaniske treforbindelser i trekonstruksjoner 1. Fagmodell utformes på bakgrunn av BIM en til ARK. 2. Brukeren velger forbindelser fra et objektbibliotek og plasserer disse i statikkmodellen på alle sammenføyningene i konstruksjonen. Ut ifra utformingen av forbindelsene kan stivhetene kalkuleres. 3. Programmet gjennomfører en statisk analyse og dimensjonering av forbindelsene med de gitte antagelsene. 4. Resultatene fra den statiske analysen og dimensjonering av forbindelse ligger i fagmodellen. 5. Den tilstrekkelig dimensjonerte fagmodellen tilbakeføres til BIM en til ARK. 6. Løsningen støtter interoperabilitet. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 40

42 4. Gjennomføring / Resultater 1.18 IDM for mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner Dimensjoneringsløsningen for mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner bygger i denne oppgaven på elastiskberegningsmodell og EC5. IDM en er et forslag på hvordan gjennomføre dimensjonering av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner i BIM, basert på metoden beskrevet i forrige kapittel Metoden som danner grunnlag for IDM. Forslaget til løsningen er begrenset til å gjelde innslissede eller utenpåliggende lasker med stavformede forbindere. Figur 26 beskriver hvordan programvare innenfor BIM kan utvikles, slik at den er kvalitetssikret og følger standard beregninger som RIB skal være kjent med. For at programmereren skal vite hva slags Property Sets(egenskaper) og relasjoner de intelligente objektene skal inneholde må RIB med BIMforståelse spesifisere denne informasjonen i en IDM. Programmereren bruker informasjonen i IDM til å utforme en MVD for å benytte den til programmering av programvaren. På denne måten kan kvalitetssikrede verktøy for RIB skapes. Figur 26 Utvikling fra dokumentbasert dimensjonering til dimensjonering i BIM IDM gir også retningslinjer for informasjonsflyten og arbeidsprosessene når det gjelder dimensjonering av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner. IDM sørger for at den nødvendige informasjonen kommer frem til de ulike aktørene involvert og til riktig tid. Ifølge buildingsmart skal IDM for konstruksjonsteknikk inneholde:... all IDM components that are about the design, analysis, modelling, fabrication and installation of structural systems. Includes structural considerations for steel, concrete (precast and in-situ) and timber. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 41

43 Oppbygningen av IDM i denne oppgaven Forslaget til utviklingen av dimensjoneringsløsningen av mekaniske forbindelser tar for seg tre elementer som hovedsakelig fokuserer på prosess og informasjon spesifisering, Process Map(PM), Exchange Requirements(ER) og Functional Parts(FP). Vertification Rules(VT) og Business Rules(BR) vil benytte informasjonen i IDM for modellsjekking ved bruk av BIM i praksis og er ikke nærmere beskrevet i denne oppgaven. IDM spesifiserer arbeidsprosessen til RIB for bruk av dimensjoneringsløsningen av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner utviklet i denne oppgaven og spesifiserer egenskapene(property Sets) til objektene som benyttes til analyse i dimensjoneringsløsningen i Exchange Requirements(ER). Kort oppsummert består IDM her av: PM - Process Map(Prosesskartlegging): Visuell forklaring på informasjonsflyten mellom ARK og RIB gjennom hele prosessen. PM utdyper dimensjoneringsmetodikken beskrevet i kapittel Metoden som danner grunnlag for IDM. ER - Exchange Requirements (Byggfagligkartlegging): Kartlegging av egenskapene til objektene(property Sets) som skal benyttes til analyse av forbindelsene. Denne danner senere grunnlaget for en IT-teknisk beskrivelse i Functional Parts(FP). FP - Functional Parts (Kartlegging i IFC): Teknisk navngiving i IFC for alle egenskapene spesifisert i ER. FP befinner seg i de samme tabellene som ER. Figur 27 - IDM i denne oppgaven tar for seg PM, ER og FP (buildingsmart 2010:g) BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 42

44 Forklaring av oppbygningen til PM Det er hensiktsmessig at leseren av denne oppgaven har Process Map (PM) foran seg når vedkommende leser resten av dette kapittelet. PM - Process Map(Prosesskartlegging) illustrerer hvordan dimensjonering av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner kan gjennomføres i BIM med bakgrunn i metodikken som ble beskrevet i kapittel Metoden som danner grunnlag for IDM. PM beskriver hvem som er involvert, hvordan løsningen fungerer, hvem som skal dimensjonere, hvordan og når informasjonen utveksles mellom de som er involvert i prosjektet. For å kunne gjennomføre dimensjoneringen og ha fokus på mekaniske treforbindelser, er det satt forutsetninger som gjelder løsningen i PM: Fagmodellen er tilstrekkelig god for å gjennomføre en statiskanalyse med hensyn til modelleringen. (Dette betyr at statikkmodellen er bygget opp slik at analyser kan gjennomføres) Valg av type forbindelse som utgangspunkt for løsningen: Innslisset stålplate med stavdybler Forklaring på oppbygningen av PM Process Map PM er delt inn i fire rader. Disse fire radene beskriver hvilke faggrupper som er involvert i BIMsamarbeidet og hvilken informasjon som blir utvekslet og utnyttet til de ulike oppgavene i dimensjoneringsprosessen. 1. RIB / Standard: Inneholder alle standarder som er nødvendige for at RIB skal kunne gjennomføre den statiske analysen og dimensjoneringen. ER er her tatt med som en del av standardiseringen for hva objektene må inneholde(property Sets) for å gjennomføre dimensjoneringen etter EC5 i BIM. 2. RIB / Dimensjoneringsløsningen: Dimensjoneringsmetodikken beskrevet i detalj for hvordan RIB skal benytte løsningen og hvordan den fungerer. 3. RIB: Arbeidsområde til rådgivende ingeniør bygg (RIB). 4. ARK: Arbeidsområdet til arkitekten. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 43

45 PM - Process Map: DIMENSJONERING AV MEKANISKE FORBINDELSER I TREKONSTRUKSJONER RIB / Standard ER-1 ER-2 ER-3 ER-4 Laster og lastkombinasjoner EC5 12 Kontroll av prosjektering (KPR) Alle forbindelser OK, konstruksjonen er OK Resultat presentasjon Resultat dokumentasjon 8 Dimensjonering av forbindelsene RIB / Plugin Stivhetene til forbindelsene kalkuleres Statiskanalyse RIB vurderer den statiskeanalysen 9 Forbindelser nr.x er ikke godkjent 7 Endringer foretas av RIB 2 3 FORHÅNDSDIMENSJONERING RIB Fagmodell RIB antar tverrsnittsdimensjonene av konstruksjonselementene Forbindelser fra objektbiblotek tilegnes fagmodellen Oppdatert fagmodell Produksjonstegninger 16 ARK 1 BIM Oppdatering av åpenbim

46 PM for dimensjonering av mekaniske forbindelser med BIM Hver prosess i PM blir nærmere forklart nedenfor for å beskrive dimensjoneringsprosessen i detalj. Nummereringen nedenfor tilsvarer tallene i PM. 1. BIM ARK startet oppbygningen av BIM. I tabellen nedenfor er det beskrevet hvilken nødvendig informasjon som trengs fra ARK for å gjennomføre en tidligfase statisk analyse og en forbindelse dimensjonering av RIB. Det er her viktig å merke seg at informasjonen fra ARK ikke trenger å være omfattende for at RIB skal kunne gjennomføre en tideligfase dimensjonering. Dersom ARK leverer informasjonen spesifisert i Tabell 2 fra seg til RIB, kan RIB gjennomføre en dimensjonering og gi tilbakemeldinger til ARK som kan peke designet i riktig retning fra de første stegene av prosjekteringen. Tabell 2 - Nødvendig informasjon fra ARK til RIB Informasjon fra ARK til RIB Informasjon fra RIB til program Statikk: Konstruksjonsmateriale Limtre Moment (M) Aksialkraft (N) Skjærkraft (V) Kraft-/fiberretningvinkel (α) Deformasjoner Materialkvalitet Høyde Bredde Forbindelse Innslisset stålplate Forbindelse dimensjoner: Kantavstander Stålplate dimensjoner Stålplate kvalitet Forbindertype Dybler Forbinder: Kvalitet Diameter Lengde BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 44

47 2. Fagmodell Ut fra utformingen til ARK kan en fagmodell bli laget. Fagmodellen kan modelleres på to måter, dette vil avhenge av kompleksiteten til konstruksjonen, erfaringen og kompetansen ARK har om konstruksjoner (NIB 2010). 1. ARK skisserer opp forslag til konstruksjon. Er denne god nok kan den benyttes direkte som en fagmodell. 2. RIB modellerer fagmodellen på bakgrunn av ARK sin utforming. 3. Forhåndsdimensjonering Ved modellering av konstruksjonen må RIB gjøre antagelser om tverrsnittsdimensjonene og forbindelsene, slik at programmet har et utgangspunkt for dimensjoneringen av konstruksjonen. Antagelsene gjøres ved at RIB tilegner antatt informasjon til objektene i fagmodellen. Siden det er sammenheng mellom stivhetene til forbindelsene og hele det statiske systemet er RIB nødt til å anta utformingen av konstruksjonen og forbindelsene, altså forhåndsdimensjonere konstruksjonen. Ved å anta utformingen av forbindelsene og konstruksjonen skapes det en analysemodell. Det er to muligheter for RIB å gjøre sine antagelser: 1. RIB antar tverrsnittsdimensjonene og utformingen av forbindelsene. Stivhetene beregnes ut fra utformingen av forbindelsene og dermed kan den statiske analysen gjennomføres.se Figur 28. Figur 28 Rekkefølgen beregning med hensyn til antagelsene fra punkt 1 BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 45

48 Eller: 2. RIB antar kreftene i sammenføyningene i konstruksjonselementene, deretter velger RIB type forbindelse og stivhetene beregnes. Dimensjoneringsløsningen baserer seg på antagelsene i punkt 1 ovenfor. Grunnen til dette er at vi kan lage intelligente objekter i BIM som kan geometrisk tilpasse seg tverrsnittene til konstruksjonselementene. FEM-programmet kan dermed beregne stivhetene til forbindelsene i forhåndsdimensjoneringen. Dette gjør at den nødvendige informasjonen for å gjennomføre den første statiske analysen er tilgjengelig. I punkt 2 ovenfor må RIB anta kreftene som virker på alle forbindelsene i konstruksjonen (noe som vil kreve mye jobb i en stor konstruksjon med mange forbindelser). Dermed blir ikke punkt 2 den mest effektive veien til målet. En annen grunn er at konstruksjoner dimensjoneres for ulike lastkombinasjoner og kreftene i de ulike forbindelsespunktene i konstruksjonen vil være avhengig av lastkombinasjonen. Derfor blir det vanskeligere for RIB å anta kreftene på en fornuftig måte. Fremgangsmåten for antagelsene gitt i punkt 1: RIB antar tverrsnittsdimensjonene og utformingen av forbindelsene. Stivhetene beregnes ut fra utformingen av forbindelsene og dermed kan den statiske analysen gjennomføres. Antagelsene i punkt 1 gjennomføres i to steg: 1. RIB antar tverrsnittsdimensjoner og materialkvalitet på konstruksjonselementene i hele konstruksjonen. Informasjonen(Property Sets) for objektet drager er gitt i Exchange Requirements 1(ER-1) i kapittel 1.19 Exchange Requirements(ER) og Fuctional Parts(FP). Figur 29 - RIB tilegner tverrsnittsdimensjoner til konstruksjonselementene, BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 46

49 2. Alle skjøter i hele konstruksjonen tilegnes antatte forbindelser fra et objektbibliotek. I objektbiblioteket velger RIB type forbindelse som utplasseres på skjøtene i konstruksjonen, her innslissede stålplater med stavdybler. Forbindelsene fra objektbiblioteket er intelligente objekter som automatisk tilpasser geometrien til forbindelsen, og til dimensjonene til konstruksjonselementene. Dette medfører at RIB ikke trenger å manuelt modellere disse for alle skjøtene i konstruksjonen. Forbindelsene fra objektbiblioteket kan plasseres ut ved drag & drop-funksjon. Figur 30 - Drag & drop-funksjon for plassering av forbindelser Antagelsene for forbindelsene i dette steget innebærer antatt diameter, lengde og kvalitet på stavdyblene, stålplatedimensjon og kvalitet. Kantavstander og boltavstander genereres automatisk av programmet med hensyn til de antatte tverrsnittsdimensjonene i konstruksjonselementene. Informasjonen(Property Sets) for objektene stavdybel og stålplate er gitt i Exchange Requirements 2(ER-2) og Exchange Requirements 3(ER-3) i kapittel 1.19 Exchange Requirements(ER) og Fuctional Parts(FP). 4. Stivhetene til alle forbindelsene kalkuleres Etter at antagelsene for geometrien for konstruksjonselementene og forbindelsene er antatt, kan stivhetene til forbindelsene kalkuleres etter EC5. k, =K r k, = 2 3 K r BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 47

50 Eksempel på beregningsprinsipp av stivheten i 2D Figur 31 - Beregningsprinsipp av stivhet i 2D Stivheten til forbindelsen kan beregnes ut fra den antatte utformingen. Krysset i midten av boltgruppen illustrerer forbindergruppens tyngdepunkt. r er avstanden fra forbindergruppens tyngdepunkt til dyblenes tyngdepunkter. Σ r i = r_1 + r_2 + r_3 + r_4 + r_5 + r_6 Glidemodulen for stavdybler: K ser = ρ m x d 1,5 /23 Dermed er stivheten til forbindelsen: k θ, bruks = K ser x Σ r i 2 k θ, brudd = (2/3) x K ser x Σ r i 2 Stivhetene til forbindergruppene kan illustreres rundt forbindergruppens tyngdepunkt. Tyngdepunktene til forbindergruppene blir noder med den tilhørende stivheten for forbindergruppen. Den grønne spiralen illustrer rotasjonsfjæren med forbindelsens beregnede stivhet k θ. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 48

51 Prinsipielt eksempel på forbindelsenes analysemodell i 3D Ved modelleringen av konstruksjonen og forbindelsene dannes det automatisk en analysemodell som skal benyttes for beregninger med FEM. Eksempelet nedenfor gir et prinsipielt forslag på hvordan programmet kan lage en analysemodell for forbindelsene, slik at stivhetene, kreftene og deformasjonene i forbindelsen er tatt med i den statiske analysen av hele konstruksjonen ved FEM. Fargene på analyselinjene nedenfor symboliserer de ulike elementene som benyttes til analysemodellen Grønn: Kraftoverføringslinjer for konstruksjonselementene Svart: Plate/laske elementer Blå: Forbinder elementer (forbinder deler mellom plate/lask og virkesdel), Plassert i forbindergruppens tyngdepunkt Rød Fiktive-elementer Sentrisk eksempel med spikerplater Figur 32 - Fra fysisk modell til en analysemodell for forbindelsen, sentrisk (NIB 2010) BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 49

52 Eksentrisk eksempel med spikerplater Figur 33 - Fra fysisk modell til en analysemodell for forbindelsen, eksentrisk (NIB 2010) Figur 34 - Elementene til forbindelsens analysemodell (NIB 2010) I nodene på de blå elementene blir det tilegnet en stivhet gitt av forbindergruppens utforming rundt tyngdepunktet. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 50

53 5. Statisk analyse gjennomføres En statisk analyse av konstruksjonen gjennomføres med hensyn til de stivhetene som har blitt beregnet med bakgrunn i utformingen av forbindelsene. 6. RIB vurderer den statiske analysen Resultatene fra den statiske førstegangsanalyse vil avhenge av hvor gode antagelser RIB har gjort i forhåndsdimensjoneringen med hensyn til forbindelsene og tverrsnittsdimensjonene. RIB studerer resultatene fra analysen med hensyn til stivhetene og de opptredende kreftene i de ulike elementene i konstruksjonen ved ulike lastkombinasjoner. Ved førstegangsanalyse av statikken kan RIB se hvor gode/dårlige antagelsene er. Dermed vet RIB allerede på dette tidspunktet hvor han kan justere antagelsene sine med hensyn til dimensjoner og forbindelsens utforming. For å kunne ta riktige avgjørelser når det gjelder konstruksjonen er det hensiktsmessig at RIB har kontinuerlig tilgang til resultatene under analysen. Dersom RIB hele tiden har oversikt over resultatene fra analysen som programmet utfører, vil RIB raskere kunne vurdere resultatene og komme med forslag til forbedringer og endringer samt å teste ut nye løsninger. Utskrift av resultatene og resultatenes synlighet i prosjekteringen er viktig når et gjelder kontroll av beregningene, slik at RIB og kontrollør(intern- eller eksternkontrollør) kan kontrollere at programmet har gjort en riktig analyse. Resultatene kan presenteres grafisk og skriftlig som for eksempel i Focus 2D versjon 2009, Figur 35. Figur 35 - Resultat av statisk analyse i Focus 2D, vers BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 51

54 7. Endringer foretas av RIB Endringer foretas av RIB etter vurdering av resultatene i punkt 6. Beslutning om endring vil avhenge av om antagelsene var gode nok for tverrsnittene med de antatte stivhetene til forbindelsene. Dersom resultatene fra beregningen av antagelsene viser at konstruksjonen ikke er tilstrekkelig må RIB foreta endringer i tverrsnittsdimensjonene eller i forbindelsene. Når RIB endrer utformingen av enkelte forbindelser, tverrsnittsdimensjoner eller kvaliteter, vil stivhetene og kreftene endres og en ny statiskanalyse må gjennomføres. Tilbake til punkt Dimensjonering av forbindelsene RIB bestemmer at resultatene for konstruksjonen er tilfredsstillende. Dette betyr at RIB har iterert seg frem til forbindelsesutforming og tverrsnittsdimensjoner som er tilstrekkelige for konstruksjonen. Før dimensjoneringen av forbindelsene kan gjennomføres vil forbindergruppens rotasjonssenter beregnes ved den gitte utformingen og kreftene fra den statiske analysen: Figur 36 - Forbindelsens rotasjonssenter beregnes Neste steg er å dimensjonere forbindelsene med den utformingen og kraftfordelingen som RIB har kommet frem til. Dimensjoneringen blir gjort etter EC5. 9. Forbindelser nr.x er ikke godkjent Dimensjonering av forbindelsene har resultert i at forbindelsen/-ene ikke er tilfredsstillende etter kravene fra EC5. RIB kan studere resultatene fra dimensjoneringen for forbindelsene og gjøre endringer i forbindelsen/-ene og/eller i tverrsnittsdimensjonene som ikke var tilstrekkelig. Endringer foretas i punkt 7, og en ny statisk analyse må gjennomføres, tilbake til punkt 5. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 52

55 10. Alle forbindelser er OK, konstruksjonen er OK Alle forbindelsene er tilstrekkelig dimensjonert og hele konstruksjonen er tilstrekkelig dimensjonert. RIB har også mulighet til å gå tilbake for å studere konstruksjonen ytterligere. 11. Resultat presentasjon RIB kan studere resultatene grafisk og som et resultatdokument fra den statiske analysen og dimensjoneringen av de enkelte forbindelsene i konstruksjonen. Det er hensiktsmessig at resultatene fra analysen presenteres slik en RIB er vant med å jobbe med forhånd, dermed kan RIB raskere oppdage feil i konstruksjonen og i programmet (NIB 2010). 12. Kontroll av prosjektering KPR I detaljprosjektering vil det forekomme kontroller av konstruksjonen internt og eksternt. Kontroll 1: Egenkontroll/sidemannskontroll, dette vil avhenge av risikoklasse Kontroll 2: En uavhengig tredje partskontroll RIB og ekstern kontrollør har muligheter til å kontrollere statikken og forbindelsene i den helhetlige resultatutskriften omtalt i punkt 11. Dersom kontrollen ikke er tilfredsstillende kan RIB gå tilbake til punkt 6 og vurdere resultatene på nytt og rette på feilene som kontrolløren har funnet ved kontrollberegninger. Det kan også tenkes at ekstern/intern kontrollør mottar hele modellen fra RIB, og kjører analyser i et eksternt program. Kontrollør kan da også komme med innspill til utbedring av feilene. 13. Resultatdokumentasjon Resultatdokumentasjonen fra den ferdig dimensjonerte konstruksjonen kan skrives ut fra programmet som et dokument fra den statiske analysen og forbindelsesdimensjoneringen. 14. Oppdatert fagmodell Fagmodellen er ferdig dimensjonert i forhold til statikken og forbindelse dimensjoneringen. Fagmodellen oppdateres mht endringene. 15. Produksjonstegninger Produksjonstegninger av fagmodellen kan hentes ut fra programmet. 16. Oppdatering av BIM Oppdatert fagmodell sendes tilbake til en BIM, slik at ARK kan supplere modellen sin med konstruksjonsmodellen. Kollisjonstester kan gjennomføres, slik at modellene blir komplette og feilfrie i forhold til ARK- og RIB-samarbeidet. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 53

56 1.19 Exchange Requirements(ER) og Fuctional Parts(FP) Exchange Requirements(ER) er en ikke-teknisk beskrivelse av nødvendig informasjon som skal utveksles for å få til en dimensjonering av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner. Forbindelsen består av ulike objekter når den utformes i BIM-programvare. For at objektene skal kunne benyttes til beregning må de inneholde en spesifisert informasjon for den oppgaven de skal benyttes til. Dermed tilegnes objektene informasjon ved objektorientert programmering(oop) av programmereren i IFC. Det er her viktig at RIB spesifiserer informasjonen riktig og entydig. ER ene kan også benyttes av brukere(rib) som en oversikt over hvilke inndata objektene inneholder for å kunne utføre dimensjoneringen eller til modellsjekking. Functional Parts(FP) er i ER spesifiseringen tatt med i siste kolonne. Den tekniske navngivingen er gjennomført i Industry Foundation Classes 2x4 Release Candidate 2 (IFC 2x4 RC2). Navngivingen i FP er hovedsakelig hentet ut fra fire områder i IFC strukturen, markert med rød linje i Figur 37: 6.Shared Building Elements, 7.Architectural Domain, 7.Structural Analysis Domain og 8.Structural Load Resource. ER inneholder også en siste kolonne hvor det er en anbefaling av hva egenskapene i IFC kan hete dersom det eksisterende navnet ikke tilsvarer egenskapen spesifisert i ER. IFC dekker navngivingen av de fleste egenskapene av objektene. Siste kolonnen i ER en anbefaling på hva egenskapene i IFC kan hete i forhold til den byggfaglige spesifikasjonen. Figur 37 - Industry Foundation Classes(IFC) oppbygning (buildingsmart 2010:i)) BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 54

57 Exchange Requirement ID.nr. ER-1: IDM for dimensjonering av mekaniske forbindelser i trekonstruksjonerversjon Utarbeidet Utarbidet av Natalia Marszalek Spesifisering av informasjonsflyt og krav til informasjon PM Process Map PM for DIMENSJONERING AV MEKANISKE FORBINDELSER I TREKONSTRUKSJONER ER Exchange requirement Spesifisering av byggfagelig informasjon for dimensjonering av innslisset stålplate med stavdybler FP Functional parts Mapping av byggfaglig informasjon i ER til IFC 2x4 Release candidate 2 Metoder for behandling av overnenvte informasjon VT/BR: Inngår i bruk av informasjonen Byggfaglig komponent BJELKE 6. Shared Elements Data Schemas > 6.1 IFCSHAREDBLDGELEMENTS > Entites > IfcBeam For at bjelken skal kunne benyttes ved dimensjonering av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner må bjelken ha følgende egenskaper: Byggfaglig spesifisert informasjon Functional Parts(FP) - mapping i IFC2x4 RC2 Alternativ til FP i IFC2x4 RC2 Kommentarer (utfyllende i kap Erfaringskapittel) GEOMETRI > 6.1 IFCSHAREDBLDGELEMENTS > Property Sets > Pset_BeamCommon Høyde h d mm - Span: IfcPropertySingleValue / IfcPositiveLengthMeasure IfcHeightMeasure (1)Ved dimensjonering er det nødvendig at bjelken har en Bredde b d mm - Span: IfcPropertySingleValue / IfcPositiveLengthMeasure IfcWidthMeasure definert høyde, bredde og lengde for å kunne benytte disse Lengde l b mm - Span: IfcPropertySingleValue / IfcPositiveLengthMeasure IfcLenghtMeasure variablene for konstruksjons dimensjonering Vinkel α grader - Slope: IfcPropertySingleValue / IfcPlaneAngleMeasure IfcPlanAngleMeasure - LoadBearing: IfcPropertySignleValue / IfcBoolean Eksentrisitet e mm IfcConnectionPointEccentricity Eksentrisiteten er relatert til kreftene KREFTER > 7.7 IFCSTRUCTURALANALYSISDOMAIN > Entities > IfcStructuralPointAction Moment M Nm IfcTorqueMeasure IfcMomentMeasure (2)Kreftene er spesifisert i 8. Resource Definition Data Schemas Skjærkraft V N IfcForceMeasure IfcShearMeasure For å kunne definere kreftene entydig bør kreftene som virker Aksialkraft N N IfcForceMeasure IfcForceMeasure i nodene være spesifisert i IfcStructuralPointAction MATERIALVALG > 8.10 IFCMATERIALSOURCE Konstruksjonsmateriale GL32c IfcMaterialSelect MATERIALEGENSKAPER > 8.10 IFCMATERIALSOURCE > Entities > IfcExtendedMaterialProperties > Timber and Wood-based Mechanical properties Karakteristisk densitet ρ k kg/m IfcMassDensityMeasure Density (3)Densiteten til trevirke bør være i samme tabell som Karakteristisk midlere densitet ρ m kg/m IfcMassDensityMeasure MeanDensity resten av materialegenskapene for det utvalgte materialet Hullkantfasthet f c,0,k N/mm 2 CompStrength - IfcPressureMeasure Timber and Wood-based Mechanical properties ( ) Trykkfasthet tvers på fiberretn. f c,90,k N/mm 2 CompStrengthPerp - IfcPressureMeasure Strekkfasthet f t,0,k N/mm 2 TensileStrength - IfcPressureMeasure Skjærfasthet f v,k N/mm 2 ShearStrength - IfcPressureMeasure (4)Materialfaktor og modifikasjonsfaktoren er spesifisert i Materialfaktor ƔM PartialFactorOfMaterialProperties Eurocode 5: Design of timberstructures Modifikasjonsfaktor k mod ModificationFactor Disse må spesifiseres for at dimensjoneringen skal kunne E-modul E 2 0,mean N/m YoungModulus - IfcModulusOfElasticityMeasure gjennomføres

58 Exchange Requirement ID.nr. ER-2: IDM for dimensjonering av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner Versjon Utarbeidet Utarbidet av Natalia Marszalek Spesifisering av informasjonsflyt og krav til informasjon PM Process Map PM for DIMENSJONERING AV MEKANISKE FORBINDELSER I TREKONSTRUKSJONER ER Exchange requirement Spesifisering av byggfagelig informasjon for dimensjonering av innslisset stålplate med stavdybler FP Functional parts Mapping av byggfaglig informasjon i ER til IFC 2x4 Release candidate 2 Metoder for behandling av overnenvte informasjon VT/BR: Mer informasjon i kap Modellsjekking av BIM FOR MER UTFYLLENDE KOMMENTARER SE kap Erfaringskapittel i masteroppgaven. Byggfaglig komponent INNSLISSET STÅLPLATE 6. Shared Elements Data Schemas > 6.1 IFCSHAREDBLDGELEMENTS > Entites > IfcPlate For at platen skal kunne benyttes ved dimensjonering av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner må platen ha følgende egenskaper: Byggfaglig spesifisert informasjon Functional Parts(FP) - mapping i IFC2x4 RC2 Alternativ til FP i IFC2x4 RC2 Kommentarer GEOMETRI > 6.1 IFCSHAREDBLDGELEMENTS > Property Sets > Pset_PlateCommon Høyde h s mm IfcProductDefinitionShape IfcHeightMeasure Ved dimensjonering er det nødvendig at platen har en Lengde b s mm IfcProductDefinitionShape IfcWidthMeasure definert høyde, bredde og tykkelse for å kunne benytte disse Tykkelse t s mm IfcProductDefinitionShape IfcThicknessMeasure variablene for dimensjonering - LoadBearing: IfcPropertySignleValue / IfcBoolean MATERIALVALG > 8.10 IFCMATERIALSOURCE Konstruksjonsmateriale S IfcMaterialSelect MATERIALEGENSKAPER > 8.10 IFCMATERIALSOURCE > Entities > IfcExtendedMaterialProperties > Mechanical Steel Properties Flytegrense f y Pa Yieldstress - IfcPressureMeasure Bruddgrense f u Pa UltimateStress - IfcPressureMeasure HULL I PLATEN FOR STAVDYBLENE > 6.1 IFCSHAREDBLDGELEMENTS > Entites > IfcPlate A plate may have openings, such as voids or recesses. They are defined by an IfcOpeningElement attached to the plate using the inverse relationship HasOpenings pointing to IfcRelVoidsElement. Hull i stålplaten IfcOpeningStandardCase Hull i stålplaten er avhengig av stavdyblenes diameter og kant- og forbinderavstand mellom stavdyblene i forbindelsen. For definering av forbinderavstander for stavdybler se Eurocode 5 - Table 8.5

59 Exchange Requirement ID.nr. ER-3: IDM for dimensjonering av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner Versjon Utarbeidet Utarbidet av Natalia Marszalek Spesifisering av informasjonsflyt og krav til informasjon PM Process Map PM for DIMENSJONERING AV MEKANISKE FORBINDELSER I TREKONSTRUKSJONER ER Exchange requirement Spesifisering av byggfagelig informasjon for dimensjonering av innslisset stålplate med stavdybler FP Functional parts Mapping av byggfaglig informasjon i ER til IFC 2x4 Release candidate 2 Metoder for behandling av overnenvte informasjon VT/BR: Mer informasjon i kap Modellsjekking av BIM FOR MER UTFYLLENDE KOMMENTARER SE kap Erfaringskapittel i masteroppgaven. Byggfaglig komponent STAVDYBEL 6. Shared Elements Data Schemas > 6.3 IFCSHAREDCOMPONENTELEMENTS > Entities > IfcMechanicalFastner For at stavdybelen skal kunne benyttes ved dimensjonering av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner må stavdybelen ha følgende egenskaper: Byggfaglig spesifisert informasjon Functional Parts(FP) - mapping i IFC2x4 RC2 Alternativ til FP i IFC2x4 RC2 Kommentarer 6.3 IFCSHAREDCOMPONENTELEMENTS > Types > IfcMechanicalFastnerTypeEnum > DOWEL GEOMETRI > 6.1 IFCSHAREDBLDGELEMENTS > Property Sets > Pset_MechanicalFastnerBolt Pset_MechanicalFastnerDowel Det eksisterer kun Pset for bolter, men ikke for stavdybler. Diameter d mm ThreadDiameter - IfcPropertySingleValue/IfcPositiveLengthMeasure DowelDiameter Lengde l mm ThreadLenght - IfcPropertySingleValue/IfcPositiveLengthMeasure DowelLength MATERIALVALG > 8.10 IFCMATERIALSOURCE Stavdybel stålkvalitet S IfcMaterialSelect MATERIALEGENSKAPER > 8.10 IFCMATERIALSOURCE > Entities > IfcExtendedMaterialProperties > Mechanical Steel Properties Flytegrense f y Pa Yieldstress - IfcPressureMeasure Bruddgrense f u Pa UltimateStress - IfcPressureMeasure

60 Exchange Requirement ID.nr. ER-4: IDM for dimensjonering av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner Versjon Utarbeidet Utarbidet av Natalia Marszalek Spesifisering av informasjonsflyt og krav til informasjon PM Process Map PM for DIMENSJONERING AV MEKANISKE FORBINDELSER I TREKONSTRUKSJONER ER Exchange requirement Spesifisering av byggfagelig informasjon for dimensjonering av innslisset stålplate med stavdybler FP Functional parts Mapping av byggfaglig informasjon i ER til IFC 2x4 Release candidate 2 Metoder for behandling av overnenvte informasjon VT/BR: Mer informasjon i kap Modellsjekking av BIM FOR MER UTFYLLENDE KOMMENTARER SE kap Erfaringskapittel i masteroppgaven. Byggfaglig komponent FORBINDERGRUPPE 6. Shared Elements Data Schemas > 6.3 IFCSHAREDCOMPONENTELEMENTS > Entities > IfcElementComponent It is often desirable to model a number of same-shaped element components by means of a single occurrence object, e.g. several bolts within a connection or a row of reinforcement elements. In this IFC release, this is possible by means of multiple mapped representation as documented below. For at forbindergruppen skal kunne benyttes ved dimensjonering av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner må forbindergruppen ha følgende egenskaper: Byggfaglig spesifisert informasjon Functional Parts(FP) - mapping i IFC2x4 RC2 Alternativ til FP i IFC2x4 RC2 Kommentarer 6.3 IFCSHAREDCOMPONENTELEMENTS > Entities > IfcElementComponent IfcMechanicalFastnerGroup Det er for RIB lettere å kjenne igjen definisjonen FORBINDERGRUPPE enn IfcElementComponent STIVHETSBEREGNING > 8.11 IFCMEASURESOURCE > 8.11 Types Stivheten til forbindelsen k θ Nm/rad IfcRotationalStiffnessMeasure Arm til forbinder i r i mm IfcPositiveLengthMeasure Glidemodul K ser N/m IfcLinearStiffnessMeasure IfcJointSlipMeasure Navngiving etter Eurocode 5. Boltgruppens tyngdepunkt T p mm IfcCentreOfGravity Burde inngå i egenskapene til forbindergruppen i IfcElementComponent (IfcMechanicalFastnerGroup)

61 1.20 Utfyllende kommentarer til IDM og Fuctional Parts(FP) Mapping av byggfaglig informasjon(er) til IFC dataskjema(fp) IFC, ISO/PAS 16973, bygger på en flat struktur. Dette medfører at det er ofte vanskelig å få entydige koblinger mellom byggfaglig begrep og den definisjonen som er beskrevet i IFC skjemaet (i oppgaven IFC2x4 RC2). Det er dermed her foreslått et alternativ som presiseres ytterligere, selv om det er identifisert entitet eller attributt i IFC fra før ER-1: BJELKE (1) GEOMETRI > Pset_BeamCommon Høyde, lengde, bredde og vinkel bør være definert i egenskapene til bjelken. Disse egenskapene går igjen i dimensjonering av konstruksjoner og er direkte relatert til geometrien av bjelken. For å kunne tilbakeføre informasjon fra dimensjonering og tilbake til objektet er det hensiktmessig at denne inneholder spesifiserte variable for høyde, bredde, lengde og vinkel. (2) KREFTER > IfcStructuralPointAction IfcStructuralPointAction og IfcStructuralAction definerer kun en hvilken som helst kraft som virker på en punkt. For at kreftene fra en statiskanalyse skal kunne benyttes i en beregning må RIB vite hva slags krefter som virker på punktet. Krefter som virker på punktet er spesifisert i IFC, men i 8.11 IFCMEASURESOURCE som ikke er så lett å finne frem til, men er godt definert. Disse definisjonene fra 8.11, bør befinne seg under punkt hvor IfcStructuralPointAction er en fellesbetegnelse og kreftene defineres under den. (3) MATERIALEGENSKAPER > IfcExtendedMaterialProperties Densiteten til trevirket bør spesifiseres i samme tabell som resten av materialegenskapene definert i Timber and Wood-based Mechanical, grunnen til dette er at densiteten til trevirket er standardisert i EN338:2009(E). Dermed blir det lettere for RIB å finne frem til den densiteten han er ute etter for beregningene (4) MATERIALEGENSKAPER > IfcExtendedMaterialProperties ƔM Definisjon fra EC5: Partial factor for materials properties, also accouting for modell uncertainties and dimensional variations. Dette er en tilhørende egenskap til det utvalgte materialet og er en standardisert konstant etter EC5. Den benyttes direkte i beregninger av dimensjonerende laster. Bør befinne seg i Timber and Wood-based Mechanical. k mod Definisjon fra EC5: Modification factor for duration of load and moisture content. Benyttes direkte i beregninger av dimensjonerende laster, tilhører trekonstruksjonsdimensjonering med hensyn til last og fuktighetspåvirkning. Bør befinne seg i Timber and Wood-based Mechanical. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 55

62 Utveksling av BIM er i dag en utfordring med hensyn til riktig definering av informasjonen i IFC. Et felles filformat må bygge på en åpen standard som alle har lik tilgang til for å kunne snakke samme språk ved utvekslingen av modellene. Ved spesifisering og entydig definering av informasjonen som allerede eksisterer i IFC, vil IFC bli en mer strukturert kilde og bidra til teknisk og semantisk interoperabilitet. Mange definisjoner og egenskaper eksisterer allerede i IFC skjemaet, men disse er organisert i forskjellige domener og er over-generalisererte(mange navn for egenskaper av lik opprinnelse). Det er dermed nødvendig å gjøre en byggfaglig opprydning i IFC skjemaet ved bruk av IDM, slik at definisjonene og egenskapene blir entydig spesifisert for det de skal benyttes til. Opprydningen vil bidra til felles forståelse og et dokumentert grunnlag for IFC defineringen og navngivingen(terminologi). Rett bruk av IDM konseptet kan bidra til at byggenæringen og IT kan forstå hverandre bedre og utviklingen av relevant programvare går raskere og kvalitetssikret. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 56

63 1.21 Vurderinger og resultater av ramme i Bykle Kirke Beregningene blir gjennomført i Focus 2D versjon Focus 2D blir benyttet på grunn av muligheten i programmet til å legge til fjærstivhet i nodene for elementene for å ta hensynt til stivheten til forbindelsene. Focus 2D dimensjonerer tverrsnittsdimensjonene etter NS3470, mens forbindelsene dimensjoneres i regneark etter EC5. Lastkombinasjonene følger kravene i Eurokode. Materialfaktoren for limtre er satt til 1,15, slik som oppgitt i EC5). For å illustrere hvordan dimensjoneringsløsningen beskrevet i IDM kan benyttes til analyser av en konstruksjon; beregnes, dimensjoneres og analyseres en ramme i Bykle Kirke. Bykle kirke er en konstruksjon av limtre med innslissede stålplater og bolting i tre-mot-tre forbindelser. For å illustrere forskjellene i kraftfordeling og deformasjoner studeres rammen for den mest kritiske lastkombinasjonen hvor vind er dominerende. Rammen blir analysert for tre utvalgte tilfeller for å understreke viktigheten av å vurdere forbindelsenes stivheter i dimensjonering av trekonstruksjoner og for å illustrere hvordan RIB kan benytte dimensjoneringsløsningen til analyser: 1. Analyse av effekten til ulik utforming av forbindelsene som gir ulike stivheter. 2. Analyse av formfeil(andre ordensberegninger). 3. Analyse av bjelkeavstivning i rammen i Bykle Kirke. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 57

64 Analyse 1: Stivhet Vi kan studere effekten av ulik utforming av forbindelsene i rammehjørnet og se hvilken effekt dette gir på kraftfordelingen i rammen. Analysen gjennomføres ved tre typer forbindelser, momentstiv, semirigid og momentfri(leddet). Resultatene for disse tre typene forbindelser viser at momentstiv forbindelse overfører størst moment og deformasjonen til rammen er liten i forhold til den semi-rigide og leddede forbindelsen. Ved leddet forbindelse er deformasjonen stor og det er ingen momentpåkjenning i rammehjørnet, som gjør at dette er en ugunstig utforming når det gjelder denne rammen (momentfri forbindelse er her tatt med for å illustrere moment kurven og deformasjonen for denne type utforming). Det er i dag slik at RIB ofte antar at forbindelsene er fullstendig momentstive ved beregninger, men i virkeligheten vil forbindelsene være semi-rigide(nib 2010). Ved å se på rammen i Bykle Kirke kan vi anta at den semi-rigide forbindelsen i rammehjørnet blir utført med 8 stk Ø18 bolter, som gir en stivhet på omtrent 3100kNm/rad. Dette resulterer i at den semi-rigide forbindelsen har en stivhet som er mindre enn ved en fullstendig momentstiv forbindelse. Dermed overfører den semi-rigide forbindelsen i virkeligheten mindre moment, men vi kan få større deformasjoner i rammen enn vi hadde forventet, Figur 38. Figur 38 - Illustrerer forskjellene i resultatene ved ulik type forbindelser på høyre rammehjørne Figur 39 - Rammens deformasjon ved en dominerende vindlast BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 58

65 Analyse 2: Formfeil Videre kan vi se på den samme rammen med en semi-rigid forbindelse ved en ikke-lineær analyse. Etter EC5 pkt (2) kan RIB studere utbøyningen av rammen ved formfeil 0,0025xh i søylen på rammehjørnet, se Figur 40. Figur 40 - Undersøkelse av effekten på kreftene ved formfeil Ved å studere resultatene fra en ikke-lineær analyse ved formfeil, gir dette oss endringer i kraftfordelingen i rammehjørnet i forhold til den lineære analysen som ikke tar hensyn til geometriske endringer. Momentet ved ikke-lineær analyse er høyere enn ved en lineær-analyse, dermed må forbindelsen dimensjoneres for denne økningen. Vi får også en økning i deformasjonen i rammen. Dermed kan vi konkludere med at formen til rammen har påvirkning av resultatene og kan være utslagsgivende for dimensjoneringen av forbindelsen i rammehjørnet. Utformingen av rammen i Bykle Kirke slik den er i Figur 38 og Figur 40 gir stor horisontal deformasjon av rammen på grunn av dominerende vindlast. RIB kan dermed velge å avstive rammen ved å legge til en avstivningsbjelke mellom søylene og se hvilken effekt dette vil gi på deformasjonen, kraftfordelingen og forbindelsen i rammehjørnet. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 59

66 Analyse 3: Ramme i Bykle Kirke med bjelkeavstivning Rammen i Bykle Kirke har stor horisontal deformasjon og RIB setter inn en bjelke for å avstive konstruksjonen. Rammen studeres med bjelkeavstivningen for henholdsvis momentstiv, semi-rigid og momentfri(leddet) forbindelse: Figur 41 - Resultater fra en statisk analyse av en ramme i Bykle kirke Resultatene i Figur 41 illustrerer påvirkningen av utformingen til forbindelsen i rammehjørnet og bjelken som avstiver konstruksjonen mot horisontal deformasjon på grunn av dominerende vindlast. Resultatene viser at de mest kritiske kreftene oppstår i avstivningsbjelken og dermed er denne det dimensjonerende elementet for rammen. Ved momentstiv utforming av forbindelsen i rammehjørnet overføres vesentlig større moment enn ved enn semi-rigid og momentfri forbindelse både i rammehjørnet og i bjelken. Dermed blir utnyttelsesgraden på bjelken ved momentstiv utforming av forbindelsen i rammehjørnet 80,2%. Ved å sammenligne resultatene av den momentstive og den semi-rigide forbindelsen i rammehjørnet ser vi at utnyttelsesgraden på bjelken blir høyere ved den semi-rigide forbindelsen. Grunnen til dette er fordi vi får mer deformasjon i rammehjørnet ved den semi-rigide forbindelsen, fordi den semi-rigide forbindelsen ikke er like stiv som i en fullstendig momentstiv forbindelse. Ved den semi-rigide forbindelsen må bjelken oppta større krefter på grunn av større horisontal deformasjon i rammen og utnyttelsesgraden blir dermed 92,1% i bjelken. Dersom RIB utformer forbindelsene i rammehjørnene som momentfrie vil rammen gå til brudd på grunn av deformasjonen i rammen blir stor og påkjenningen på bjelken øker, utnyttelsesgraden ved dette tilfellet er 106,1%. Faren ved å anta at forbindelsen er fullstendig momentstiv eller leddet er at resultatene for den virkelige forbindelsen(semi-rigid) vil medføre andre resultater i virkeligheten enn det vi får ved beregninger. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 60

67 Dimensjonering av forbindelsen i rammehjørnet av Bykle Kirke For å illustrere hvordan løsningen beskrevet i IDM kan benyttes til dimensjonering av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner er det her gjennomført dimensjonering av rammehjørnet i Bykle Kirke. (Analysene gjennomføres i Focus versjon 2009 i 2D og ved et regneark fra Excel etter EC5, beregningene er lagt i VEDLEGG E: Beregning av rammen i Bykle Kirke). Fremgangsmåten følger PM i IDM i kapittel PM for dimensjonering av mekaniske forbindelser med BIM. (Det er anbefalt at leseren også i denne delen har PM foran seg, mens dette kapittelet leses, nummereringen nedenfor følger nummereringen i PM) 1. BIM ARK har laget et forslag til utformingen av Bykle kirke. ARK har bestemt at konstruksjonen skal være av limtre. Forbindelsene som skal benyttes er boltet forbindelse i rammehjørnet. 2. Fagmodell RIB mottar konstruksjonen som ARK har skissert. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 61

68 3. Forhåndsdimensjonering RIB antar: 1. Tverrsnittsdimensjonene Figur 42 - Forhåndsdimensjonering av tverrsnittsdimensjoner og forbindelse utforming 2. En forbindelse fra et objektbibliotek velges. Forbindelsen har 6 stk Ø18 bolter, kvalitet 8.8, som plasseres i rammehjørnet på begge sider. Kant- og boltavstander genereres automatisk ut ifra diameter og utforming av forbindelsen. Minste avstander er beregnet etter EC5, Table 8.4. a1 0 <= α <= mm a2 0 <= α <= mm a3,t -90 <= α <= mm a3,c 90 <= α <= mm 150 <= α <= mm 210 <= α <= mm a4,t 0 <= α <= mm a4,c 180 <= α <= mm BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 62

69 Dermed kan forbindelsen i rammehjørnet antas å se slik ut: Figur 43 - Rammehjørnet med 6 stk Ø18 bolter kantavstander og plassering av rotasjonssenter 4. Stivheten til forbindelsen kalkuleres Stivheten til forbindelsen i Figur 43 er: k θ,bruks = knm/rad k θ,brudd = knm/rad 5. Statisk analyse gjennomføres Rammen blir beregnet og dimensjonert med Focus versjon RIB setter opp lastkombinasjoner etter NS-EN1990:2002/NA:2008. Konstruksjonen er mest følsom for dominerende vindlast. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 63

70 6. RIB vurderer den statiske analysen For å teste ut ulike løsninger og legge vekt på vurderingsmuligheten til RIB av konstruksjonen, er det i denne rammen lagt vekt på viktigheten av stivheten til rammehjørnet. RIB kan da vurdere effekten av ulik utforming av forbindelsen ved å se på samme ramme under samme lastkombinasjoner ved ulik stivhet av rammehjørnet. I analysen i Focus er forskyvning i rammehjørnet beregnet ved stivheten til forbindelsen i bruksgrensetilstanden. k θ,bruks = 3214 knm/rad, mens kraftfordelingen studeres ved bruddgrensetilstanden med stivheten k θ,brudd = 2144 knm/rad. Resultatene for momentet er illustrert grafisk og, kraftfordelingen og utnyttelsesgraden er satt opp i tabell under figuren: I denne rammen er bjelken dimensjonerende og har i dette tilfellet en utnyttelsesgrad på 94,5%. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 64

71 7. Endringer foretas av RIB Etter førstegangsdimensjonering er RIB tilfreds med rammen med resultatene fra punkt Dimensjonering av forbindelsene Rotasjonssenteret til forbindelsen beregnes: Figur 44 - Rotasjonssenteret og arm til resultanten og den mest påkjente forbinderen Dimensjonering av forbindelsen i rammehjørnet er utført med 6 stk. Ø18 bolter av kvalitet 8.8. Det er en dobbeltsnittet forbindelse med limtre kvalitet GL32c. Kapasiteten per snitt per forbinder er: F_v,Rd = 16,08 kn Forbinderen blir påkjent av moment, skjær- og aksialkraft, resultatet på den mest påkjente forbinderen etter den elastiske beregningsmetoden utgjør: R_d = 6,78 kn 10. Alle forbindelser OK, konstruksjonen er OK Siden R_d < F_v,Rd er forbinderen tilstrekkelig dimensjonert for de gitte kreftene i forbindelsen. Konstruksjonen er også tilstrekkelig dimensjonert. Men RIB ønsker å undersøke effekten av å gjøre forbindelsen i rammehjørnet stivere for å stive av rammen ytterligere. Målet til RIB er å senke utnyttelsesgraden på bjelken. Tilbake til punkt 7. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 65

72 7. Endringer foretas av RIB For å gjøre rammehjørnet stivere kan RIB for eksempel øke antall forbindere til 8 stk og øke forbinder diameteren til Ø20. Figur 45 - Forbindelsen utformet med 8stk Ø20 bolter Ved disse endringene blir minste kantavstander endret til: a1 0 <= α <= mm a2 0 <= α <= mm a3,t -90 <= α <= mm a3,c 90 <= α <= mm 150 <= α <= mm 210 <= α <= mm a4,t 0 <= α <= mm a4,c 180 <= α <= mm Tilbake til punkt 5 for en ny statisk analyse av rammen. Endring av utformingen av forbindelsen fører til at stivheten til forbindelsen endres til k θ,bruks = 4682 knm/rad og k θ,brudd = 3121 knm/rad 5. Statisk analyse Den statiske analysen gjennomføres med hensyn til de endrede stivhetene og diameteren. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 66

73 6. RIB vurderer den statiske analysen Den nye kraftfordelingen i rammen med 8 stk Ø20 bolter gir: RIB er tilfreds med disse resultatene. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 67

74 8. Dimensjonering av forbindelsene Rotasjonssenteret til forbindelsen beregnes: Figur 46 - Rotasjonssenteret og arm til resultanten og den mest påkjente forbinderen Dimensjonering av forbindelsen i rammehjørnet er nå utført med 8 stk. Ø20 bolter av kvalitet 8.8. Det er en dobbeltsnittet forbindelse med limtre kvalitet GL32c. Kapasiteten per snitt per forbinder er: F_v,Rd = 17,99 kn Forbinderen blir påkjent av moment, skjær- og aksialkraft, resultatet av den mest påkjente forbinderen etter den elastiske beregningsmetoden utgjør: R_d = 5,09 kn 10. Alle forbindelser OK, konstruksjonen er OK Siden R_d < F_v,Rd forbinderen er tilstrekkelig dimensjonert. Dermed holder forbindelsen mål i begge rammehjørnene. RIB er tilfreds med dimensjoneringen av rammen og forbindelsene. 11. Resultat presentasjon Beregningene som ble utført i dette eksempelet ligger i VEDLEGG E: Beregning av rammen i Bykle Kirke. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 68

75 12. Kontroll av prosjektering KPR Resultatene og modellen kan nå studeres av en intern-/eksternkontrollør. 13. Resultat dokumentasjon Resultat dokumentasjon for dette eksempelet ligger i VEDLEGG E: Beregning av rammen i Bykle Kirke. 14. Oppdatert fagmodell Modellen oppdateres med innsatte ferdig dimensjonerte forbindelser i rammehjørnene. Forbindelsene er utformet med 8stk. Ø20 bolter. Kantavstander er illustrert på s.66, selv om det under dimensjoneringen har blitt endret forbinder diameter er kantavstandene i forbindelsen konstant i dette eksempelet, men er tilstrekkelig i forhold til minsteavstandene. 15. Produksjonstegninger Kan nå hentes ut fra BIM for konstruksjonen og forbindelsene. 16. Oppdatering av BIM Den ferdig dimensjonerte rammen sendes tilbake til ARK for å supplere åpenbim med RIB sin fagmodell. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 69

76 5. Diskusjon Det er i dag mulig å dimensjonere mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner ved hjelp av BIM, men de eksisterende BIM-programmene dimensjonerer forbindelsene etter ulike metoder. Det har i oppgaven blitt drøftet to programmer som benytter ulike metoder: Robot Structural Analysis( Jobbe i linje ) og StatCon TimberJoints( Iterasjon ). Begge metodene har sine sterke og svake sider, men ingen av disse støtter fullstendig BIM-konseptet og interoperabilitet ved et åpent format. Grunnen til dette er at gjennom Jobbe i linje -metoden får RIB resultatene i form av et regneark og gjennom Iterasjons -metoden i form av resultatdokumentasjon(*.pdf). Vurdering av disse to metodene og av den tradisjonelle arbeidsprosessen er grunnlaget for dimensjoneringsløsningen, der kravet til informasjonen som skal utveksles er beskrevet i form av en Information Delivey Manual(IDM), i kapittel 1.18 IDM for mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner. Dimensjoneringsløsningen beskrevet i IDM er utviklet med fokus på forbindelsenes virkelige stivheter som påvirker kraftfordelingen i konstruksjonen, ved en lineær-elastisk beregningsmodell. Dette vil gi RIB en mer realistisk vurdering av effekten til forbindelsene på konstruksjonen, enn ved å anta at forbindelsene kun er momentstive eller momentfri(leddet) (NIB 2010). Evaluering av forbindelsenes virkelige stivhet er en tung og iterativ prosess, som i oppgaven løses med en dimensjoneringsløsning i BIM. Analyse av forbindelsene i BIM-programmer kan fort bli komplekse på grunn av at forbindelsene består av mange objekter, men informasjonsteknologien(it) utvikler seg stadig for å kunne håndtere tung programvare. Ideen bak BIM er at modellene skal inneholde all nødvendig informasjon om et byggeprosjekt. Det er dermed også viktig å ha med forbindelser i trekonstruksjoner, for å kunne spare tid på modellering og produksjonstegninger. I tillegg kan modellene oppdateres for endringene i prosjekteringsfasen ved at all nødvendig informasjon er tilgjengelig i BIM. Optimale ekspertsystemer i BIM med kartlagt informasjon i IDM basert på ekspertise, vil dermed bidra til at RIB kan jobbe tids- og kostnadseffektivt med trekonstruksjonsanalyser. Beslutninger av analysene kan på denne måten tas i en tidligere fase av prosjekteringen, og interoperabilitet vil effektivisere samarbeidet med hele prosjekteringsgruppen. Utfordringen med BIM-programmer er spesifisering av informasjonen i objektene(property Sets i IFC), slik at disse kan benyttes til kvalitetssikrede analyser. Denne oppgaven spesifiserer og entydig definerer informasjonen som objektene må inneholde for én type forbindelse, innslisset plate med stavdybler. Ved entydig definering og spesifisering av egenskapene til objektene(property Sets) i IDM vil programvareleverandørene motta et dokumentert grunnlag for å programmere en kvalitetssikret dimensjoneringsløsning. Dimensjoneringsløsningen beskrevet i IDM skal gi programmereren tilstrekkelig detaljert informasjon fra RIB, slik at misforståelser og definering av objektene blir så entydige at programmereren ikke er i tvil om hva løsningen skal inneholde. Det er nettopp her viktig å understreke at IDM må bygge på byggfaglig terminologi som oversettes til IFC for å kunne oppfylle samarbeidet mellom RIB og programmereren. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 70

77 6. Konklusjon Oppgaven fokuserer på hvordan man kan kombinere byggfaglig kunnskap innen mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner med et beregningssystem som kan utvikles og implementeres i et BIMprogram. Den konstruksjonsmessige løsningen bygger på forbindelsenes virkelige stivheter ved den lineærelastiske beregningsmodellen, som benytter entydig spesifiserte objekter i BIM som inndata for beregningene. Metoden for beregningene har sitt fokus på å forbedre den tradisjonelle arbeidsprosessen til RIB og de eksisterende metodene for dimensjonering av forbindelser. Dimensjonering av forbindelsene i denne oppgaven effektiviseres ved at iterasjonsprosessen gjennomføres med bakgrunn i informasjonen i objektene i BIM. Stivhetene til forbindelsene kan dermed ved hjelp av informasjonen i objektene tas med i analysene av trekonstruksjonen. Ved implementering av dimensjoneringsberegninger av mekaniske forbindelser i BIM basert programvare er det svært viktig at kravet til informasjon som skal benyttes og utveksles i informasjonsmodellen (IFC-filen) er komplett og presist spesifisert. Spesifikasjonene i informasjonsleveranser er utviklet som IDM er(information Delivery Manuals) basert på ISO :2010 standarden. Ved utvikling av programvarespesifikasjonene(functional parts)har det vært har det vært behov for å spesifisere nye objekter (Entiteter) og tilhørende egenskaper (Property Sets/ P.set) for at løsningen kan implementeres i en IFC basert programvare (IFC 2x4 rc2). I oppgaven understrekes det at ved endret prosjekteringsprosess, dokumenter i form av prosesskart, og bruk av BIM basert programvare er det mulig å automatisere dimensjoneringen av mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner. Dimensjoneringsløsningen betraktes som et ekspertsystem for å vise at kunnskapen bak BIM-løsninger og bruk av disse har behov for konstruksjonsfaglig innsikt(ekspertise). Bruk av dimensjoneringsløsningen vil være en støtte for RIB ved at prosjekterende kan lettere prøve ut mer krevende trekonstruksjonsløsninger med mekaniske forbindelser enn man vanligvis har tid/kompetanse til ved tradisjonelle prosjekteringsmetoder. Dimensjoneringsløsningen vil kunne bidra til å øke andelen bruk av innslissede stålplater med stavdybler og gi bedre samspill med krevende arkitektoniske løsninger. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 71

78 7. Videre arbeid Information Delivery Manualen(IDM) for mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner bør videreutvikles for å kunne omfatte flere typer forbindelser i trekonstruksjoner. I denne oppgaven er det benyttet spesifisert informasjon for innslissede stålplater med stavdybler, men forbindelsene kan utformes med andre typer forbindere som dimensjoneringsløsningen i etterkant bør utvikles for. Informasjonen for de nye forbindelsene må spesifiseres i nye Exchange Requirements(ER), slik det er blitt gjort i denne oppgaven. Neste steg etter å ha utformet en IDM, er at programmereren skal kunne benytte informasjonen i IDM til å utforme en Model View Definition(MVD). Etter at programmereren har utformet MVD kan informasjonen beskrevet i IDM implementeres i et BIM-program Vurdering av forbindelsenes stivheter er i denne oppgaven basert på den lineær-elastiske beregningsmodellen. Løsningen kan videreutvikles for også å ta hensyn til den plastiske og elast-oplastiske beregningsmodellen som gjennomføres ved en krevende iterasjonsprosess. Disse beregningsmodellene vil bidra til mer realistiske beregningsresultater enn bare ved å benytte den lineær-elastiske beregningsmodellen. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 72

79 8. Litteratur Forbindelser: - Teknisk Ukeblad (2010). NR.32/7.Oktober 2010 Artikkel s.48 - EN :2004(E), Eurocode 5 Design of timber structures, Part 1-1:General Common rules and rules for buildings, For Publication Bell, K. (2007). Trekonstruksjoner, Forbindelser, Del II-B, Eurocode 5, Beregningsgrunnlag for og dimensjonering av stav-type-forbindere, NTNU, Foreløpig utgave - Norsk Treteknisk Institutt (2007). Forfattere: Bovim N.I., Ellingsrud O., Glasø. G., Jacobsen B., Solli K.H., Baardsen J.B. - Treteknisk Håndbok nr.3 - Håndbok Mekaniske treforbindelser - Bovim N.I., UMB (2009). Forelesninger: Avstivning og stabilitet av bygg og Forbindergrupper Building Information Modeling/Models: - Khemlani L., Architecture Engineering Construction bytes (ACEbytes): a) Lokalisert på World Wide Web: b) - Eastman C., Teicholz P., Sacks R. & Liston K. (2007). BIM Handbook, a guide to building information modeling for owners, managers, designers, engineers, and contractors. - Owen R. (2009). CIB White Paper on IDDS Publication 328: Intergrated Design and Delivery Solutions - Giarratano J.C. & Riley G.D. (2005). Expert Systems, Principles and Programming, Fourth Edition ISO :2010 Building information modelling -- Information delivery manual -- Part 1: Methodology and format. - Consultec.se (2010). Lokalisert på World Wide Web: BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 73

80 - Autodesk.com (2010). Lokalisert på World Wide Web: - Hjelseth, E. (2010). Hva er buildingsmart? Presentasjon på Masterseminar:10, Oslo, 13. januar EDR.no (2010): Lokalisert på World Wide Web: - Eilif Hjelseth and Nick Lisbet, 2010: Overview of consepts for model checking - Schinler Dan & P.E. and Erik Nelson, StructureMag: Lokalisert 2008 på World Wide Web: - Autodesk - Lokalisert 2010 på World Wide Web: - BuildingSMART : a) Lokalisert på World Wide Web: b) Lokalisert på World Wide Web: c) Lokalisert på World Wide Web: 14_buildingSMART/bS_Steen_Sunesen_ pdf d) Lokalisert på World Wide Web: _buildingSMART/Introduksjon%20til%20IFC.pdf e) Lokalisert på World Wide Web: f) Lokalisert på World Wide Web: BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 74

81 9. Vedlegg 1.22 VEDLEGG A: Forbindelser i trekonstruksjoner K.W. Johansens metode K.W. Johansens metode er basert på ulike bruddformer i plastisk beregning i bruddgrensetilstanden som forekommer i stavformede forbindere. IfølgeTreteknisk (2007): Beregningsformlene er basert på plastisk beregning i bruddtilstanden, der den stavformede forbinderen betraktes som en bjelke med jevnt fordelt last (hullkanttrykk). Teorien er godt underbygget av forsøk. Metoden beregner kapasiteten til den valgte forbindelsen. Kapasiteten bestemmes av ulike faktorer som de ulike materialenes tykkelse, hullkantfasthet, forbinderens diameter og flytemoment. Det er også tatt hensyn til Rope-effect, som er et kapasitetstillegg for de ulike bruddformene. I K.W Johansens metode er det gitt noen forutsetninger. Ved karakteristisk hullkantfasthet, som er den spenningen trevirket kan bli utsatt for ved belastning av en stavformet forbinder, er det antatt at kurven for kraft og forskyvning er idealisert. Dette betyr, ifølge Bell (2007), at trevirket oppfører seg som et ideelt stivt-plastisk materiale. Figur 47 - Hullkanttrykk virkelig og idealisert (stivt-plastisk) (Bell 2007) Den samme antagelsen som K.W Johansen gjør for trevirket gjelder også for stavforbinderen, som betyr at materialet i stavforbinderen også antas å være stivt-plastisk, (F y Flytespenning i stålet). Figur 48 - Spenning tøyningsrelasjon for stål (Bell 2007) BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 75

82 Antagelsen fører til at begge materialene kan bli utsatt for belastning opp til en bestemt grenseverdi, trevirket til F max og stålet til f y, uten at det forekommer deformasjon. Videre innførte K.W Johansen en flyteledd teori for stavformede forbindere. Teorien sier at når vi betrakter forbinderen som en enkel fritt opplagt bjelke, vil den under påkjenning av en jevnt fordelt last oppføre seg elastisk (elastiske deformasjoner er så små at de er neglisjerbare og ses bort fra i denne teorien). Etter ytterligere påkjenning av forbinderen vil vi oppnå flytespenning i stålet i forbinderen, der momentet er størst. Belaster vi forbinderen ytterligere, oppnår vi plastisk flyting i det mest påkjente stedet på forbinderen. De plastiske deformasjonene oppstår i virkeligheten over et felt i tverrsnittet, men teorien forenkler dette til at deformasjonene er konsentrert i et punkt. Dette punktet kalles et plastisk ledd. Leddet oppstår midt på forbinderen ved flytemomentet M y. Belaster vi forbinderen mer etter at det plastiske leddet har oppstått, går forbinderen til brudd. Resten av forbinderen antas å være helt stiv i denne tilstanden, det er kun flyteleddet som er det kritiske punktet. Figur 49 - Flytemoment for et sirkulært tverrsnitt (Bell 2007) Formelen tar også hensyn til bruddspenningen, f u, ved utledning av det karakteristiske flytemomentet for en stavformet forbinder. f = c f c denne konstanten avhenger av stålkvaliteten, f.eks.: kvalitet 8.8 c = 0,8, kvalitet 4.6, c = 0,6. Setter inn i flytemomentet for et sirkulært tverrsnitt: M =(1 6) c f d EC5-formelen for det karakteristiske flytemomentet er: M =0,3 f d, BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 76

83 Grunnen til at denne formelen er ulik utledningen ovenfor, er ifølge Bell (2007) Formelen er imidlertid basert på utstrakt prøving, og dens form er vel derfor en skjønnhetsfeil (men er betydelig sådan) Forbindelse dimensjonering etter EC5 Dimensjonering av innslisset stålplate med stavdybler gjennomføres etter punktene gitt i EC5. Punktene beskrevet nedenfor er plukket ut fra EC5, slik at de kun omhandler stavdybler med innslisset stålplate. Punktene samsvarer med punktene i EC5 EN :2004 (E), Part 1-1: General Common rules and rules for buildings. Figur 50 - Stavdybler med innslisset stålplate (figur laget med ArchiCAD) Pkt Forbindelser med flere forbindere Pkt.8.1.2(1)P: Kapasiteten og stivheten til en forbindelse skal bestemmes ut ifra kantavstander, avstander mellom forbindere, størrelser og plassering av forbindere Pkt.8.1.2(2)P: Det skal tas hensyn til at mange forbindere av samme type i en forbindelse kan ha lavere kapasitet enn den totale summen av enkeltkapasiteter BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 77

84 Pkt.8.1.2(4) Gruppe-effekt; karakteristisk kapasitet for en rad av forbindere Den effektive karakteristiske kapasiteten av en rad i fiberretningen er: F,, =n F, n ef F v,rk Beregnes etter pkt (4): Bolter, dybler Karakteristisk kapasitet for en forbinder i fiberretningen Det kan tenkes at forbindere utnyttes fult ut samtidig og at vi kan multiplisere kapasiteten til en forbinder med antall forbindere i hele forbindelsen. I virkeligheten er det ikke slik, kapasiteten til forbindelsen er avhengig av hvordan lasten fordeler seg på de ulike forbinderne. Lasten vil fordele seg ulikt i forbindelsen fordi vi har variasjoner i flytemomentet og trevirkets egenskaper. Dette fører til at noen forbindere i forbindelsen oppnår sin fulle kapasitet før andre. Dette må vi ta hensyn til og redusere kapasiteten til forbindelsen. Bruddform: Oppsprekking Ved gruppe-effekten tas det også hensyn til reduksjon på grunn av forbindere på rad i fiberretningen som kan skape oppsprekking i trevirket ved deformasjoner under lastpåkjenning. Dermed utnyttes ikke kapasiteten til alle forbindere fult ut og reduseres ved beregning av n ef. For å motvirke dette problemet er det hensiktsmessig å øke kan/endeavstander og avstand a 1. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 78

85 Pkt Krefter på forbindelsen med vinkel α Pkt.8.1.4(1) Hvis kraften virker med en vinkel α på fiberretningen er det fare for splitting, F ED *sin(α) vinkelrett på fiberretningen. Dette skal undersøkes. Pkt.8.1.4(2) P Følgende uttrykk skal kontrolleres Tverrstrekkbrudd Dersom det forekommer en kraft med en vinkel mot fiberretningen skal følgende være oppfylt. F, F,, =max,,,, F 90,Rd F v,ed,1, F v,ed,2 Kapasiteten mot splitting, beregnes etter pkt Skjærkraft på begge sidene av forbindelsen Pkt.8.1.4(3) Karakteristisk splitting kapasitet F, =14 b w h (1 h h), w= max w For spikerplater 1 For alle andre forbindere F 90,Rk w h e h b w pl Karakteristisk splitting kapasitet i N Modifikasjonsfaktor Avstand mellom øverste forbinder og kant av bjelke, målt fra belastet ende Høyden til bjelken Bredden til bjelken Bredden til spikerplaten parallelt med fiberretningen BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 79

86 Bruddform: Tverrstrekkbrudd Denne bruddformen forekommer når det oppstår en kraftkomponent vinkelrett på firberretningen og/eller overskridelse av skjærfastheten. Tørrsprekker i trevirket fører til større sjanse for denne type brudd. Kantavstandene i beregningen er ikke en tilstrekkelig kontroll mot tverrstrekkbrudd og...forsøk har vist at dette oppstår ved forbinder lengst unna den belastede kanten (Treteknisk, 2007) Figur 52 - Brudd pga kraftkomponent vinkelrett på fiberretningen (Treteknisk 2007) Pkt Vekslendelast Pkt.8.1.5(1)P og pkt.8.1.5(2): Ifølge Bell (2007):...den karakteristiske kapasiteten til en forbindelsen skal reduseres dersom forbindelsen utsettes for vekslende last av halvårs varighet eller lengre (det vil si langtids last). Forbindelsen skal dimensjoneres mht strekkraft og trykkraft. I trekonstruksjoner er dynamisk belastning og utmatting først og fremst aktuelt i brokonstruksjoner. (Treteknisk 2007) Innslissede stålplater med stavdybler benyttes ofte i brokonstruksjoner og det har vært tilfeller hvor stavdyblene kan falle ut, derfor er det viktig at det tas hensyn til vekslende laster i denne type forbindelser. F, =0,5 F, Strekkraft F, =0,5 F, Trykkraft BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 80

87 Pkt Stål mot tre forbindelser For ulike typer forbindelser av stål mot tre betraktes skjærkapasiteten per snitt per forbinder. En dobbeltsnittet forbindelse hvor stålplaten befinner seg i midten, beregnes kapasiteten for en forbinder pr snitt etter formel (8.11) i EC5. Pkt (2) Stålplatedimensjonering P the strenght of the steelplate shall be checked. (EC5, 2004). Pkt (3) Karakteristisk kapasitet for en forbinder per snitt Ved innslisset stålplate med stavdybler, benyttes ligning (8.11) fra EC5. Stålplate av vilkårlig tykkelse som er plassert mellom to tredeler får kapasiteten: F, = f,, t d ( ) f,, t d 2+4 M, f,, d t 1 + F, 4 ( ) 2,3 M, f,, d+ F, 4 ( ) Figur 53 - Bruddformer for innslisset stålplate i midten (Bell 2007) Pkt (4) Rope-effect Rope-effect er beskrevet under pkt.8.2.2(2), hvor Rope-effect for stavdybler er 0%. Pkt (5) Gruppe-effekt Kapasiteten til forbindere i stål mot tre forbindelser i gruppe kan bli redusert pga gruppe-effekten. Dette er nærmere beskrevet i Annex A (informative) i EC5. Annex A (Informative) i EC5 BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 81

88 I stål mot treforbindelser med mange stavformede forbindere kan det forekomme en spesiell type brudd. Bruddet oppstår når en blanding av strekk- og skjærspenninger opptrer i fiberretningen nær enden av trevirket. Skjærkapasiteten i trevirket overskrides og brudd oppstår. Bruddet i trevirket kan forekomme langs de ytterste forbinderne eller at en plugg rives ut ved lastpåkjenning (Treteknisk 2007). Figur 54 - Blokk- og pluggutriving(kun øverste del rives ut) (Treteknisk, 2007) Karakteristisk kapasitet for bruddformen langs forbindergruppen: F, =max 1,5 A, f,, 0,7 A, f, A, =L, t A, = L, t L, 2 L, +2 t for bruddformene (e,f,j eller l,k,m) for andre bruddformer, =,, =, BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 82

89 For tynne stålplater: = 0,4 ( ) 1,4,, ( ) For tykke stålplater: 2,, ( )(h) = = 2+,, 1 ( )( ) F bs,rk A net,t A net,v L net,t L net,v l v,i, l t,i t ef t 1 M y,rk d f t,0,k f v,k f h,k Block-shear karakteristisk kapasitet Tverrsnittsareal vinkelrett på fiberretningen (strekk-areal) Tverrsnittsareal i fiberretningen (skjær-areal) Bredden til tverrsnittet vinkelrett på fiberretningen Lengden av skjærbrudd i fiberretningen (skjærbrudd) Avstanden mellom forbindere, målt fra ytterkant av forbindere. Effektiv dybde avhengig av bruddformen til forbinderen, se fig.8.3 i EC5 Tykkelsen av trevirket eller hvor langt forbinderen går inn i trevirket i dybden Karakteristisk flytemoment Forbinder diameter Karakteristisk strekk kapasitet for trevirket Karakteristisk skjær kapasitet for trevirket Karakteristisk hullkanttrykk kapasitet for trevirket BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 83

90 Pkt. 8.6 Forbindelser med stavdybler Forbindelser med stavdybler følger samme beregninger som pkt.8.5 Forbindelser med bolter, bortsett fra pkt (3), som beskriver kantavstander for bolter. Kantavstander for stavdybler bestemmes etter Tabel 8.5 (EC5, 2004). Pkt. 8.6 (1) = Pkt (1),(2),(4) Pkt (1) Stavdybelens karakteristiske flytemoment: M, =0,3 f, d, M y,rk Karakteristisk flytemoment (Nmm) f u,k Karakteristisk strekkspenning (N/mm 2 ) d Stavdyblenes diameter (mm) Stavdybler generelt Stavdybler med diameter mellom 8-20mm blir ofte benyttet istedenfor bolter. De er foretrukket på grunn av estetikk og at de bidrar til stivere forbindelser. Forbindelsen blir stivere fordi feilmarginen for diameteren i det forborrede hullet i trevirket er liten. Det betyr at stavdybelen er godt presset inn i treverket og forårsaker lite glidning. Stavdybler opptar ikke aksialkrefter pga de ikke har noen forankring i endene og kan dermed heller ikke benyttes i enkeltsnittet forbindelser. I en enkelsnittet forbindelser oppstår det eksentriske krefter som vil føre til glidning av trevirket på grunn av eksentrisitetsmomentet som oppstår. Figur 55 - Stavdybler i enkeltsnittet forbindelse, stavdybel (Bell 2007) BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 84

91 Pkt (2) Karakteristiske hullkanttrykk kapasitet: f,, =f,, (k sin α+ cos α) f,, =0,082 (1 0,01 d) ρ 1,35 + 0,015 d for softwoods, trekvalitet C k = 1,30+0,015 d for LVL 0,90 + 0,015 d for hardwoods, trekvalitet D f h,α,k karakteristisk hullkanttrykk langs fibrene (N/mm 2 ) ρ k karakteristisk densitet (kg/m 3 ) α vinkel på kraft i forhold til fiberretningen d forbinderdiameter (mm) Hullkanttrykk Hullkanttrykk forekommer når en stavformet forbinder blir utsatt for belastning i en forbindelse. Det oppstår spenninger i trevirke pga kraftoverføringen mellom forbinderen og trevirke. Hullkanttrykket er avhengig av ulike faktorer som de i ligningen ovenfor og: Friksjon mellom tre og stav (trenger tall fra prøving) Fuktinnholdet (k mod ) Figur 56 - Kraftretning i forhold til fiberretningen (Bell 2007) Spenningen pga hullkattrykket kan splittes opp i spenning i fiberretningen og på tvers av fiberretningen Bilde til venstre: Hullkanttrykk spenning (Treteknisk 2007) BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 85

92 Pkt (4): For forbindere på rad i fiberretningen, skal det beregnes n ef : n n =min n, a 13 d a 1 d n avstand mellom forbindere langs fiberretningen forbinderdiameter antall bolter på rad i fiberretningen Hvis kraftretningen er 90 i forhold til fiberretningen er n ef = n (EC5 (8.35), 2004). Er kraftretningen mellom 0 < α < 90 på fiberretningen benyttes det interpolering mellom den beregnede n ef og n. Den karakteristiske kapasiteten for en rad bestemmes etter pkt.8.1.2(4). Pkt.8.6 (2) Stavdybel diameter Stavdybeldiameteren skal være: 6mm < d < 30mm Pkt. 8.6 (3) Kantavstander for stavdybler Figur 57 - Minste avstander etter EC5 (Bell 2007) BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 86

93 Figur 58 Kantavstander illustrasjon (K.Bell, 2007) Pkt.8.6 (4) Stavdybel hull toleranse Hulldiameter for stavdybler bestemmes etter pkt Pkt , i følge (EC5,2004): Stavdybeldiameteren skal være større enn 6mm. Avviket på stavdybelen skal være innenfor - 0/+0,1mm. Forborrede hull i tre skal ikke ha en diameter større enn stavdybelens. Dimensjonerende kapasitet bestemmes av: F = F ( k ƔM) Karakteristisk kapasitet, F Rk Fasthetsfaktor, k mod Materialfaktor, ƔM F Rk justeres etter antall forbindere på rekke eller dersom det forekommer flere typer forbindere i forbindelsen. BIM og mekaniske forbindelser i trekonstruksjoner 87